夏 欣, 陳 平, 楊 偉, 徐 返, 王云月,李成云, 鄭鳳萍, 劉永勝, 謝 勇*
(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 昆明 650201; 2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所, 昆明 650205;3. 合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院, 合肥 230009)
元陽縣地處滇南低緯高原山區(qū),經(jīng)緯度在102°27′~103°13′E、22°49′~23°19′N之間,海拔144~2 000 m。北回歸線以南,屬山地季風(fēng)氣候類型。全縣耕地以山地為主,山高谷深,溝壑縱橫,海拔高度差異大,立體氣候明顯。元陽縣是一個(gè)以水稻OryzasativaL.為主要糧食作物的少數(shù)民族聚居地區(qū),梯田稻作系統(tǒng)久負(fù)盛名,在20世紀(jì)80年代,水稻農(nóng)家品種(landrace)多達(dá)196個(gè),現(xiàn)在仍以種植農(nóng)家品種為主。2013年被批準(zhǔn)列入聯(lián)合國教科文組織《世界遺產(chǎn)名錄》中的文化遺產(chǎn)目錄。盡管水稻種植歷史悠久,絕大多數(shù)種植區(qū)都處于稻瘟病易于發(fā)生的生態(tài)環(huán)境下,但至今為止還沒有有關(guān)稻瘟病Magnaportheoryzae大面積暴發(fā)的記載[1]。尤為值得關(guān)注的是,一些地方品種種植時(shí)間已超百年,在當(dāng)?shù)氐咀飨到y(tǒng)中一直未被淘汰。其中‘月亮谷’(‘Acuce’)具有優(yōu)良的農(nóng)藝性狀和豐富的群體間和群體內(nèi)遺傳異質(zhì)性(inter-and intra-heterogeneity),中抗稻瘟病菌,是在元陽哈尼梯田海拔1 600~1 900 m區(qū)域種植的主栽秈稻O.indica品種[2]。
已有的分子證據(jù)表明,稻瘟病菌-水稻寄主互作符合經(jīng)典的基因?qū)蚣僬f(gene for gene hypothesis),導(dǎo)致同一水稻品種對(duì)不同稻瘟病菌菌株表現(xiàn)出明顯的抗感差異[3-6]?,F(xiàn)代水稻抗病品種抗性的“喪失”是寄主抗性基因與稻瘟菌致病基因互作在群體水平上的表現(xiàn)結(jié)果,即寄主品種群體對(duì)由稻瘟病菌不同生理小種(race)構(gòu)成的混合群體產(chǎn)生定向選擇(directional selection)作用[7-8]。元陽梯田水稻種植歷史悠久,但稻瘟病發(fā)生并不嚴(yán)重,其中的科學(xué)問題值得深入探索。關(guān)于稻瘟菌的培養(yǎng)表型和生物學(xué)特性研究,很多學(xué)者探討了病菌的產(chǎn)孢條件、菌落形態(tài)及顏色、黑色素合成、產(chǎn)孢量、菌絲生長速率等與致病性之間的關(guān)系[9-12]。有研究表明,菌落顏色及黑色素與病原真菌的致病性緊密相關(guān),黑色素是許多病原真菌的毒力因子,在病原真菌的致病過程中起著重要作用[13-15]。本研究采用孢子捕捉法和組織分離法,獲得梯田環(huán)境中和水稻植株上的稻瘟病菌,從表型上比較兩種來源的稻瘟菌之間的差異,初步了解農(nóng)家品種‘月亮谷’對(duì)環(huán)境中稻瘟菌群體的選擇作用。
1.1.1 田間試驗(yàn)品種
供試水稻品種(系)共5個(gè),包括來源于元陽哈尼梯田地方品種‘月亮谷’的單粒傳(single seed descend method, SSD)F8代純系L1、L2、L3、L4,由農(nóng)戶自留種經(jīng)8代單粒傳獲得;‘月亮谷’自然群體G5(來自于農(nóng)戶自留種)。
1.1.2 抗稻瘟病單基因鑒別品系
單基因鑒別品系(NILS)采用國際水稻研究所(IRRI)以‘麗江新團(tuán)黑谷’(LTH)為輪回親本培育的水稻近等基因品系:IRBLsh-s、IRBLz-Fu、IRBLb-B、IRBL12-M、IRBLt-k59、IRBLa-A、IRBLi-F5、IRBL3-CP4、IRBL5-M、IRBLks-S、IRBLkm-Ts、IRBL1-CL、IRBLkh-k3、IRBLk-k、IRBLkp-k60、IRBLta-k1、IRBL7-M、IRBL9-W、IRBLz5-CA-1、IRBLzt-T、IRBLta2-Pi、IRBLta2-Re、IRBLta-CP1、IRBL19-A、IRBL20-IR24共25個(gè)(種子由IRRI 的Kobayashi博士提供),感病對(duì)照品種為‘麗江新團(tuán)黑谷’。
供試的5個(gè)水稻品種(系)按元陽哈尼梯田(元陽縣新街鎮(zhèn)箐口村,23°07′N,102°44′E,海拔1 637.7 m)當(dāng)?shù)爻R?guī)育苗方法育苗、移栽。每品種(系)為1個(gè)處理,3次重復(fù),每小區(qū)30 m2,完全隨機(jī)區(qū)組排列。4周保護(hù)行種植‘月亮谷’自然群體。所有施肥、水分管理均為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)方法。
1.3.1 供試水稻品種(系)上稻瘟菌的分離
在穗頸瘟發(fā)生期(9月),從試驗(yàn)田間分別采集5個(gè)水稻品種(系)的感病樣本,采用毛細(xì)管單孢分離法進(jìn)行單孢分離,獲得來源于水稻寄主的稻瘟病菌株(寄主菌株)[16]。
1.3.2 梯田環(huán)境中稻瘟菌的獲得
采用便攜式孢子捕捉儀(YFBZ3,河南云飛科技發(fā)展有限公司),按說明書進(jìn)行田間孢子捕捉,持續(xù)時(shí)間為2周。具體方法為:在上述試驗(yàn)田中按5點(diǎn)取樣法放置孢子捕捉儀,每次捕捉時(shí)間從上午9時(shí)開始定時(shí)開機(jī)5~8 h,然后采用單孢分離法在體視顯微鏡下分離稻瘟菌,獲得來源于梯田環(huán)境中的稻瘟病菌株(環(huán)境菌株)[17]。
米糠培養(yǎng)基:米糠經(jīng)過粉碎后,稱取20 g,加水煮15 min,然后加入瓊脂16 g,酵母浸膏2 g,定容到1 L,混勻分裝,于121℃高壓滅菌40 min。
將分離純化的菌株接種到米糠培養(yǎng)基上,在L∥D=12 h∥12 h,24~26℃下培養(yǎng)9 d后用直徑為9 mm的打孔器分別打取菌餅,菌餅朝下轉(zhuǎn)移到新鮮米糠培養(yǎng)基上,在26℃下培養(yǎng)9 d后,用數(shù)碼照相機(jī)拍照,記錄菌落形態(tài)特征。刮除培養(yǎng)基上菌落的表面菌絲,觀察黑色素顏色并拍照。
分別將寄主菌株(4、8、40、45、128)和環(huán)境菌株(139、141、203、244、287)的稻瘟菌單孢菌株接種于米糠培養(yǎng)基,26℃培養(yǎng)7 d,用打孔器(直徑5 mm)分別從菌落的邊緣處打取菌餅,將菌餅朝下在無菌條件下轉(zhuǎn)移到米糠培養(yǎng)基中央,置于26℃條件下培養(yǎng)9 d。采用十字交叉法垂直測量菌落直徑。每隔3 d測量1次菌落生長直徑,根據(jù)所測結(jié)果計(jì)算純生長量。
純生長量(mm)=菌落平均直徑(mm)-菌餅直徑(mm);
日均生長量=純生長量(mm)/生長天數(shù)。
將兩種不同來源的各5個(gè)稻瘟菌單孢菌株分別在米糠培養(yǎng)基上培養(yǎng)7 d,從菌落邊緣同一圓周上用打孔器取菌碟,轉(zhuǎn)移到新的培養(yǎng)基上,設(shè)置6次重復(fù),放在28℃培養(yǎng)箱,培養(yǎng)9 d后,將10 mL無菌水倒入平板中,用接種環(huán)刮取菌絲和孢子,振蕩儀振蕩2 min,紗布過濾,定容至10 mL,在10倍顯微鏡下,用血球計(jì)數(shù)板計(jì)算孢子濃度。孢子濃度=(5個(gè)小方格孢子總數(shù)/80)×4×106。
將水稻單基因鑒別系浸種催芽后播種于塑料盆中(60 cm×40 cm×25 cm),栽培土壤為滅菌稻田土,每70 L中加入2 L火山石混勻。每品種播15粒,設(shè)3次重復(fù)。在溫室內(nèi)育苗,2 葉期開始每周追施尿素0.5 g/盒,共2~3次。分別從寄主菌株和環(huán)境菌株群體中各隨機(jī)挑選5個(gè)菌株作為接種菌株,于水稻秧苗3.5葉期進(jìn)行噴霧接種,秧苗接種后置恒溫保濕培養(yǎng)箱內(nèi)于25℃、相對(duì)濕度≥95%,黑暗條件下保濕培養(yǎng)24 h,隨后移出置溫室內(nèi)培養(yǎng),每天用清水噴霧以保持溫室的濕度。接種7 d后參照Gallet等[18]的方法進(jìn)行病害調(diào)查。
病害調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)為[18]:1級(jí),沒有病斑;2級(jí),有少量針尖點(diǎn)狀褐色病斑;3級(jí),有大量針尖點(diǎn)狀褐色病斑,或較大褐色病斑;4級(jí),在褐色病斑中間有灰白色壞死組織;5級(jí),灰色壞死組織擴(kuò)大,病斑呈典型梭形病斑;6級(jí),灰白色病斑或很大的梭形病斑,周圍沒有或有少量褐色包圍。
抗感分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):1~3級(jí)為抗病反應(yīng)(R),4~6級(jí)為感病反應(yīng)(S)。根據(jù)抗感反應(yīng)表型分別統(tǒng)計(jì)接種菌株對(duì)某個(gè)鑒別品系的毒力頻率(virulence frequency,VF)和測試菌株對(duì)所有鑒別品系的聯(lián)合致病性(pathogenicity association,PA)[19]。
毒力頻率=(有毒力菌株數(shù)量/菌株總數(shù)量)×100%;
聯(lián)合致病性=(接種菌株群內(nèi)對(duì)某品種的致病菌株數(shù)量/該群內(nèi)總菌株數(shù)量)×100%。
采用Excel軟件整理原始數(shù)據(jù),顯著性檢驗(yàn)和分析由SPSS(Version 18.0)軟件的Wilcoxon成對(duì)測驗(yàn)法(Wilcoxon Matched Pairs Test)完成。
環(huán)境菌株(4、128、40、45、8)和寄主菌株(203、139、287、141、244)的菌落正面都近似圓形,菌落顏色從中心向周圍逐漸變淺,氣生菌絲逐漸變稀疏,其中部分菌株出現(xiàn)同心輪紋。環(huán)境菌株在米糠培養(yǎng)基表面生長時(shí)菌落疏松,呈絨毛狀,放射散生在培養(yǎng)基表面,菌落顏色從中心到邊緣依次呈白色、灰白色,菌落背面顏色較淺,產(chǎn)生少量黑色素;寄主菌株在米糠培養(yǎng)基上的菌落較致密,呈地毯狀,匍匐蔓延在培養(yǎng)基表面,菌落顏色從中心到邊緣依次呈現(xiàn)灰白色、褐色,背面顏色較深,產(chǎn)生黑色素較多。與環(huán)境菌株4、128、40、45、8相比,寄主菌株203、139、287、141、 244菌落顏色普遍較深,說明黑色素合成較多(圖1)。
圖1 不同來源的稻瘟病菌菌落形態(tài)及產(chǎn)生黑色素情況Fig.1 Observation of colony morphology and melanin formation of Magnaporthe oryzae isolates
稻瘟菌株分別在培養(yǎng)3、6、9 d時(shí),菌落直徑總體差異不大,到后期生長曲線總體趨于平緩。環(huán)境菌株生長速率波動(dòng)不明顯,而寄主菌株生長速率波動(dòng)相對(duì)較大,其中菌株287生長速率最快,平均生長直徑均大于其他菌株,寄主菌株139生長最慢(圖2)??傮w上,環(huán)境菌株菌絲生長速率與寄主菌株菌絲生長速率之間沒有顯著差異。
在參測的10個(gè)菌株中,寄主菌株244產(chǎn)孢量最大,顯著高于其他菌株,寄主菌株287產(chǎn)孢量最低,顯著低于環(huán)境菌株40、45、128和寄主菌株139、203、141和244,另一個(gè)菌株203產(chǎn)孢量也較低。比較梯田環(huán)境菌株,除菌株45產(chǎn)孢量與菌株4、8差異顯著外,與其他梯田環(huán)境菌株差異不顯著。而對(duì)于寄主菌株139、141,產(chǎn)孢量顯著低于菌株244,但顯著高于287、203。以上結(jié)果表明,梯田環(huán)境菌株總體產(chǎn)孢量與寄主菌株產(chǎn)孢量之間沒有顯著差異,但個(gè)別菌株之間產(chǎn)孢量差異較大。
圖2 不同來源的稻瘟菌菌株菌絲生長速率Fig.2 Mycelial growth rate of Magnaporthe oryzae strains obtained from different sources
圖3 環(huán)境稻瘟菌菌株與寄主菌株產(chǎn)孢量的比較Fig.3 The spore quantity produced by Magnaporthe oryzae isolates obtained from different sources
從環(huán)境菌株和寄主菌株中各隨機(jī)挑選5個(gè)菌株,用25個(gè)近等基因系(NILs)測定其致病性。結(jié)果表明,總體上近等基因系鑒別品種對(duì)來源于環(huán)境中的稻瘟菌菌株的抗性高于水稻寄主上的稻瘟菌菌株,平均毒力頻率為24.8%,而來源于水稻寄主上的菌株毒力達(dá)到38.4%,聯(lián)合致病性也顯示出來源于水稻寄主上的菌株比來源于環(huán)境的菌株致病性更高。初步結(jié)果表明,寄主水稻上的菌株其致病性強(qiáng)于梯田環(huán)境菌株(表1)。
根據(jù)基因?qū)蚶碚?只有抗病基因與相應(yīng)的無毒基因才能產(chǎn)生非親和性互作(incompatible interaction)。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在元陽梯田種植攜帶質(zhì)量抗性基因Pik-h、Piz-t、Pib、Pit、Pi1、Piz-5(Pi2)、Pi11、Pi12、Pik-m、Pi20、Pita-2的品種其稻瘟病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)將顯著降低,若僅攜帶Pik、Pik-p、Pi7和Pi19則病害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)較高。
為了解培養(yǎng)性狀與菌株致病性間的關(guān)系,分析了不同菌株的聯(lián)合致病性與菌落顏色、黑色素深淺、菌株生長速率、產(chǎn)孢量之間的關(guān)系。結(jié)果(表2)表明,菌株的致病性與生長速率和產(chǎn)孢量之間無明顯相關(guān)關(guān)系。而與黑色素的產(chǎn)生有一定關(guān)系,即黑色素產(chǎn)生越多,顏色越深,致病性越強(qiáng)。如來源于水稻寄主的菌株203、141、287和244的聯(lián)合致病性均高于24.0%。而產(chǎn)生黑色素較少的菌株,聯(lián)合致病性相對(duì)較低。
表1稻瘟菌菌株在鑒別近等基因系上人工接種的致病表型鑒定結(jié)果
Table1PathogenicityassayofMagnaportheoryzaeisolatesonNILSbyusingartificialinoculation
近等基因系NILs抗病基因R gene環(huán)境菌株 Aerial isolate481284045毒力頻率/%VF寄主菌株 Host isolate139141244287203毒力頻率/%VFIRBLA-APiaSSRSR60SSRSS80IRBLI-F5PiiSSSSR80SSRSS80IRBLKS-SPik-sSSRSR60SSRSS80KRBLK KAPikSSSSR80SSSSS100KRBLKP-K60Pik-pSSSSS100SSSSS100KRBLKH-K3Pik-hRRRRR0RRRRR0IRBLZ FUPizRRRRR0RSRSS60IRBLZ5-CAPiz-5(Pi2)RRRRR0RSSSS80IRBLZT-TPiz-tRRRRR0RRRRR0IRBLTA-K1PitaSRRRR20RRRRS20IRBLB-BPibRRRRR0RRRRR0IRBLT-K59PitRRRRR0RRRRR0IRBLSH-SPishRRRRR0RSRRS40IRBL1-CLPi1RRRRR0RRRRR0IRBL3-CP4Pi3SSRSR60RRSRS40IRBL5-MPi5RRRRR0RSRRS40IRBL7-MPi7SSRRS60SSSSS100
續(xù)表1Table1(Continued)
近等基因系NILs抗病基因R gene環(huán)境菌株 Aerial isolate481284045毒力頻率/%VF寄主菌株 Host isolate139141244287203毒力頻率/%VFIRBL9-WPi9RRRRR0RSRRS40IRBL12-MPi12RRRRR0RRRRR0IRBL19-APi19SSSSS100SSSSS100IRBLKM-TSPik-mRRRRR0RRRRR0IRBL20-IR24Pi20RRRRR0RRRRR0IRBLTA2-PIPita-2RRRRR0RRRRR0IRBL11-ZHPi11RRRRR0RRRRR0IRBLZ5-CAPiz-5(Pi2)RRRRR0RRRRR0LTH-SSSSS100SSSSS100聯(lián)合致病性/%Pathogenicity association36321628122848243656平均 Average24.838.4
表2菌株致病性與菌株培養(yǎng)性狀及表型的比較1)
Table2ComparisonbetweenpathogenicityandphenotypictraitsofMagnaportheoryzaeisolates
菌株Isolate聯(lián)合致病性Pathogenicity association菌落直徑/cmColony diameter產(chǎn)孢量/個(gè)·mL-1Sporulation菌落顏色Colony color黑色素Melanin28736(7.3±0.26)a8.00×104灰色深黑色14148(7.0±0.45)a2.05×106灰白色深黑色24424(6.7±0.42)ab3.48×106黑褐色黑褐色428(6.6±0.21)b8.80×105灰色淺褐色832(6.5±0.50)b7.22×105灰色淺褐色20356(6.5±0.32)b4.50×105灰白色深黑色4028(6.5±0.30)b1.47×106淺灰色無色12816(6.5±0.15)b1.28×106灰色淺褐色4512(6.3±0.36)bc1.97×106淺灰色無色13928(6.2±0.12)c2.27×106黑褐色淺褐色
1) 圖中英文字母a、b、c表示在P<0.05水平上差異顯著。
The letters a, b and c indicate significant difference at 0.05 level.
寄主-病原菌之間的協(xié)同進(jìn)化(co-evolution)是兩者遺傳變異的驅(qū)動(dòng)因素之一。在長期的水稻栽培過程中,稻瘟菌與水稻寄主在同一生態(tài)條件和環(huán)境因子的作用下,稻瘟菌的優(yōu)勢(shì)生理小種或遺傳宗群(lineage)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[19]。原因是不同水稻品種可能攜帶不同的抗病基因,對(duì)稻瘟菌群體產(chǎn)生不同的選擇壓力。因此,稻瘟菌生理小種的分化明顯。有報(bào)道,我國南方與北方稻作區(qū)稻瘟菌小種的組成差異較大[20-21]。元陽哈尼梯田稻作系統(tǒng)相對(duì)封閉,農(nóng)家品種豐富,采用獨(dú)有的生產(chǎn)方式。推測在這種環(huán)境條件下,農(nóng)家品種對(duì)稻瘟菌群體在時(shí)間和空間(temporal and spatial)結(jié)構(gòu)上的影響將會(huì)表現(xiàn)出不同的作用方式。農(nóng)家品種是一個(gè)不同基因型的混合群體[2, 22-24],本文分析了‘月亮谷’單粒傳純系對(duì)梯田環(huán)境中稻瘟菌群體的選擇作用,初步研究了稻瘟菌的表型性狀與致病性的關(guān)系。結(jié)果表明,不同來源菌株在相同培養(yǎng)基上的培養(yǎng)性狀有明顯差異,菌落形態(tài)差異較大,說明元陽哈尼梯田稻瘟菌群體具有豐富的多樣性。但菌落特征、生長速率、產(chǎn)孢能力等形態(tài)特征與其來源沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。
黑色素(melanin)在植物病原真菌中廣泛存在,與病原菌致病能力密切相關(guān)。稻瘟菌通過提高細(xì)胞膨壓,機(jī)械突破水稻寄主表皮[25-26]。本研究結(jié)果表明,在米糠培養(yǎng)基上,寄主菌株菌落顏色呈白色、灰白色,顏色深淺不均勻,除個(gè)別菌株外,產(chǎn)生黑色素能力均較強(qiáng),梯田環(huán)境菌株菌落顏色普遍較淺,稻瘟菌株產(chǎn)生黑色素能力相對(duì)較弱。由于‘月亮谷’對(duì)稻瘟病總體上屬于中抗(MR)水平[2],因此從‘月亮谷’單粒傳品系上分離到的稻瘟菌菌株比從環(huán)境中(可能來源于其他地方品種)捕獲的菌株致病性強(qiáng)。
為明確本研究中稻瘟菌菌株可能攜帶的致病因子或無毒基因,采用以‘麗江新團(tuán)黑谷’為輪回親本構(gòu)建的單基因鑒別品系進(jìn)行人工接種試驗(yàn)。分別測定了來源于梯田環(huán)境和寄主‘月亮谷’純系的稻瘟菌菌株的聯(lián)合致病性、毒力頻率以及測定菌株可能攜帶的無毒基因種類。結(jié)果顯示,梯田環(huán)境中的稻瘟菌具有豐富的致病表型,總體上來源于‘月亮谷’的菌株具有更高的毒力頻率(38.4 vs 24.8)。顯然,從‘月亮谷’上分離到的菌株是梯田環(huán)境中菌株經(jīng)過抗性選擇的結(jié)果,如果僅考慮與這25個(gè)抗性位點(diǎn)相關(guān)的遺傳位點(diǎn),說明盡管‘月亮谷’在當(dāng)?shù)胤N植了上百年,與稻瘟病菌間的協(xié)同進(jìn)化仍然處于動(dòng)態(tài)進(jìn)化過程中,遠(yuǎn)未達(dá)到哈迪-溫伯格平衡(Hardy-Weinberg equilibrium)。這也許與哈尼族的輪種或換種習(xí)慣有關(guān)[22,27]。
根據(jù)基因?qū)蚣僬f,從對(duì)25個(gè)單基因鑒別品系的致病性測定結(jié)果可以推導(dǎo)出參測的稻瘟菌菌株的無毒基因種類,即抗病基因Pik-h、Piz-t、Pib、Pit、Pi1、Piz-5(Pi2)、Pi11、Pi12、Pik-m、Pi20、Pita-2相對(duì)的無毒基因。由于本研究的樣本量較小,還需擴(kuò)大樣本數(shù),采用群體遺傳研究策略,進(jìn)一步測定代表單倍型(haplotype)及其可能攜帶的無毒基因種類,在清楚當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)家品種的抗性基因組成的基礎(chǔ)上,才能更好地指導(dǎo)哈尼梯田農(nóng)家品種科學(xué)合理布局,有助于當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)和元陽哈尼梯田非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的持續(xù)保護(hù)。