王 昶, 楊發(fā)榮, 李敏權(quán), 陸建英, 魏玉明, 趙桂琴
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,甘肅 蘭州 730070; 3. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所,甘肅 蘭州 730070;4. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
藜麥(Chenopodiumquinoa)原產(chǎn)于南美洲安第斯山區(qū),距今已有7 000多年的栽培歷史[1],是當(dāng)?shù)鼐用駛鹘y(tǒng)的食物和家畜飼料來源[2]。藜麥籽粒無麩質(zhì)[3],蛋白質(zhì)含量高,而且富含人體必需的9種氨基酸以及礦物質(zhì)、維生素、抗氧化物質(zhì)、膳食纖維等營養(yǎng)物質(zhì)[4]。藜麥對生物和非生物脅迫均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗性[5],可在惡劣環(huán)境中生長,尤其是邊緣貧瘠土壤中。藜麥全株均可作為優(yōu)良飼草,葉片[6]、籽實(shí)[7]和麩皮[8]均是優(yōu)質(zhì)的高蛋白飼料,可改善飼草中氨基酸平衡,為家畜提供優(yōu)質(zhì)蛋白。藜麥秸稈的營養(yǎng)價值雖與其它部分相比較低,但其仍表現(xiàn)出與現(xiàn)有優(yōu)良飼草料相當(dāng)?shù)娘曈脙r值[9]。藜麥的營養(yǎng)價值高、抗逆性強(qiáng),是全球理想的糧飼兼用型作物,深受歡迎,現(xiàn)已突破南美洲傳統(tǒng)原產(chǎn)國,擴(kuò)延至全球90多個國家[10]。目前,我國藜麥種植區(qū)主要分布在甘肅、山西、青海、內(nèi)蒙古等省份,2020年僅甘肅省種植面積就達(dá)1萬hm2左右,約占全國面積的一半。
藜麥的全球擴(kuò)延,帶來了病蟲害種類和數(shù)量增加的問題[11]。病原菌PeronosporavariabilisG?um引起的(曾命名為P.farinosaf. sp.chenopodiiByford)[12]藜麥霜霉病(Downy mildew,DM)是藜麥生產(chǎn)中為害最嚴(yán)重的世界性病害[13],現(xiàn)已傳播至全球所有藜麥種植區(qū)[14]。該病害主要為害葉片,最初在葉正面出現(xiàn)小而不規(guī)則的褪綠壞死斑,同時在葉背形成灰色霉層,隨著病程的發(fā)展,這些斑點(diǎn)開始聚結(jié),融合,葉片萎黃,最終導(dǎo)致葉片脫落。病害發(fā)生后葉片機(jī)體受損,光合面積減少,嚴(yán)重影響植株的生長發(fā)育。霜霉病可導(dǎo)致藜麥減產(chǎn)33%~99%[15],氣候環(huán)境有利病害生長時,減產(chǎn)甚至可達(dá)100%[16]。藜麥霜霉病在我國普遍發(fā)生嚴(yán)重,在山西省靜樂縣發(fā)病率達(dá)95%,使藜麥減產(chǎn)40%左右[17]。筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn),甘肅省的甘南州、臨夏州和武威市等藜麥種植區(qū)發(fā)病率普遍在40%以上,臨夏州陰濕區(qū)最為嚴(yán)重,甚至高達(dá)95%,已嚴(yán)重威脅本地藜麥生產(chǎn)。
藜麥霜霉病的防治非常困難[18],噴施殺菌劑是其防治的傳統(tǒng)方法[19]。藜麥霜霉病病原菌Peronosporavariabilis具有有性生殖,易變異[20],使其產(chǎn)生抗藥性。利用抗病品種防治是最簡單、經(jīng)濟(jì)和有效的措施,而種質(zhì)資源抗病性評價是其實(shí)現(xiàn)的先決條件。國外學(xué)者開展了大量的抗性篩選和評價研究[14,21-22]。Mhada等[14]對77份藜麥種質(zhì)資源和當(dāng)?shù)?份野生種(Chenopodiumalbum和Chenopodiumurale)在摩洛哥通過采取離體葉片接菌鑒定和田間自然感病鑒定的方法進(jìn)行了霜霉病抗性鑒定,發(fā)現(xiàn)種質(zhì)資源‘M2a’和‘S938/1’表現(xiàn)抗病,‘M24’表現(xiàn)高感,其余均感病。Nolen[18]對3個Chenopodiumberlandierivar.Macrocalycium(BVM)、2個BVM ×C.quinoa雜交種、1個藜(C.album)、4個藜麥(C.quinoa)等10個藜屬植物進(jìn)行了霜霉病抗性評價,未發(fā)現(xiàn)完全抗病或免疫材料。近年來,國內(nèi)學(xué)者對藜麥的研究多集中在引種、栽培[23-24]、耐鹽性[25-26]、抗旱性[27-28]、功能物質(zhì)分析[29-30]及功能基因鑒定[31-32]等方面,鮮見有關(guān)藜麥霜霉病抗性評價的研究報道。基于此,我們開展本土環(huán)境條件下藜麥種質(zhì)的霜霉病抗性篩選與評價試驗(yàn),旨在為抗病基因的挖掘、藜麥遺傳改良與霜霉病綜合防控提供技術(shù)支撐。
1.1.1藜麥種質(zhì)資源 參試材料包括49份藜麥(C.quinoa)種質(zhì)資源和1份‘臺灣紅藜’(Chenpodiumformosanum),均由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家作物種質(zhì)資源庫、山西稼祺藜麥公司、北京農(nóng)品堂營養(yǎng)科技股份有限公司和甘肅條山集團(tuán)農(nóng)林科學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)引進(jìn)和收集。
1.1.2供試病原菌 采集田間典型的藜麥病葉(為了與田間抗性鑒定病原菌保持一致,盡量采集田間試驗(yàn)區(qū)藜麥病葉),在低溫冷藏條件下帶回實(shí)驗(yàn)室,用無菌毛刷刷掉葉片老舊孢子和雜質(zhì),用無菌水沖洗干凈,滅菌濾紙吸干表面水分,置于培養(yǎng)箱中,在20℃黑暗條件下保濕培養(yǎng)48 h,待葉片背面長出新鮮孢子囊后備用。
1.1.3孢子懸浮液的制備 將長出新鮮孢子囊的葉片置于20 mL無菌離心管中,加入5 mL無菌水,在渦旋儀上均勻震蕩,使得孢子囊和葉片充分脫離,倒出懸浮液,4層無菌紗布過濾,取濾液在顯微鏡下用血球計數(shù)板計數(shù),調(diào)至每毫升1×105個孢子囊,加入0.1%吐溫20備用。
1.2.1田間自然感病鑒定 試驗(yàn)于2020年在臨夏州康樂縣八松鄉(xiāng)八松村進(jìn)行,該地屬陰濕區(qū),霜霉病易發(fā)高發(fā),平均海拔2 000 m,年均氣溫7.5℃,降雨量625 mm。選擇地勢平坦地塊,人工開溝點(diǎn)播,每穴播種3粒種子,株距20 cm,行距50 cm。每品種播種2行,行長6 m,以高感材料‘QA065’作對照。4~6葉期間苗,每穴留苗1株。選擇藜麥花芽分化期至盛花期(霜霉病盛發(fā)期)[33]調(diào)查發(fā)病率,分別采用“全葉法”(Total-leaf method)和“三葉法”[15](The three-leaf method)調(diào)查病害嚴(yán)重度,計算病情指數(shù)、評估抗性類型?!叭~法”調(diào)查時,每品種隨機(jī)選取3株,從上而下調(diào)查每株全部葉片,病害嚴(yán)重度依據(jù)菌體覆蓋單葉面積的比例確定;“三葉法”調(diào)查時,隨機(jī)選取9株,把整個植株分為上、中、下三部分,在每部分中隨機(jī)選取一葉調(diào)查。
采用Mhada等[14]的0~5級病害分級標(biāo)準(zhǔn)(略有改動)進(jìn)行分級。0級:無病斑。1級:小而分散的病斑,病斑占葉片面積0~10%。2級:病斑數(shù)量和面積明顯增加,病斑占葉片面積11%~25%。3級:病斑呈褐色,葉片背面開始形成孢子,病斑占葉片面積26%~50%。4級:病斑占葉片面積51%~90%。5級:病斑面積大于葉面積90%,葉片正面和背面形成大量孢子。
發(fā)病率和病情指數(shù)分別用以下公式計算:
根據(jù)病情指數(shù)對每個品種進(jìn)行抗性分級,采用Staudt和Kassemeyer[34]分級標(biāo)準(zhǔn)(略有改動):0為免疫;0~5為高抗(HR);5.1~25為抗(R);25.1~50為中抗(MR);50.1~75為感病(S);>75為高感(HS)。
1.2.2室內(nèi)離體葉片接菌鑒定 采用“葉盤法”測定。采集藜麥成株期相同部位健康葉片,70%的乙醇表面消毒30 s,無菌水沖洗干凈,晾干,用打孔器避開主脈取直徑10 mm的葉盤,置于鋪有2層無菌濾紙,直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中,每皿放置12個葉盤,葉背朝上,每個葉盤中央滴20 μL的孢子懸浮液,加無菌水使濾紙濕潤,保鮮膜封口。每品種3次重復(fù),設(shè)置1個清水對照。將培養(yǎng)皿置于溫度為20℃,相對濕度80%的人工氣候培養(yǎng)箱中,黑暗培養(yǎng)24 h后,用無菌濾紙吸掉葉盤表面液滴,封口后12 h黑暗/12 h光照交替培養(yǎng),接種5~7 d后調(diào)查發(fā)病情況。
采用SPSS 18.0 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn);組間連接法(Between-groups linkage)進(jìn)行聚類分析。
分別采用“全葉法”和“三葉法”對50份藜麥材料進(jìn)行田間發(fā)病率和病情指數(shù)的調(diào)查及抗性評價。結(jié)果如表1所示,不同材料發(fā)病率、“全葉法”病情指數(shù)、“三葉法”病情指數(shù)及抗性表現(xiàn)出顯著差異水平(P<0.05)。參試材料全部發(fā)病,普遍嚴(yán)重,無免疫品種,基于“全葉法”病情指數(shù)的抗性評價結(jié)果顯示(表1、圖1),表現(xiàn)高抗的有‘臺灣紅藜’和‘QA064’,表現(xiàn)中抗的有‘隴藜2’號和‘HL-Q5’,占參試材料的8%,表現(xiàn)感病的有‘QA045’、‘QA050-2’和‘青海-02’等3份材料,占參試材料的6%,其余43材料均表現(xiàn)高感,占參試材料的86.00%;“三葉法”病情指數(shù)大于70.00 的有45個品種,占參試材料的90.00%,小于70.00的有5份材料,‘臺灣紅藜’病情指數(shù)最小,為2.67?;凇叭~法”病情指數(shù)的抗性評價結(jié)果顯示(表1、圖1),表現(xiàn)高抗的材料有‘臺灣紅藜’和‘QA064’,占比4%,表現(xiàn)中抗的有‘隴藜2號’和‘HL-Q5’,占比4%,表現(xiàn)感病的有‘高臺02’和‘青海-02’,占比4%,其余44材料均表現(xiàn)高感,占比88.00%;參試材料的“全葉法”和“三葉法”病情指數(shù)非常接近,抗性鑒定中除‘QA050-2’、‘QA045’和‘高臺02’等3份材料基于“全葉法”病指分別評價為感病、感病和高感,而基于“三葉法”分別評價為高感、高感和感病外,其余鑒定結(jié)果完全一致。
表1 藜麥種質(zhì)資源對霜霉病抗性田間自然感病鑒定Table 1 Resistance identification of quinoa germplasm accessions against Peronospora variabilis by natural infection in the field
圖1 不同藜麥抗性比例分布Fig.1 Resistance ratios distribution of the different quinoas
采用葉盤法在室內(nèi)對離體葉片人工接菌進(jìn)行病葉率和病情指數(shù)的調(diào)查和抗性評價,結(jié)果如表2所示,不同藜麥材料之間病葉率和病情指數(shù)差異顯著(P<0.05)。病葉率小于100.00%的有8份材料,占參試材料的16.00%,‘臺灣紅藜’最小,為19.45%,其余42份材料均為100.00%,占比84.00%;室內(nèi)離體葉片抗性評價結(jié)果顯示(表2、圖1)90%的材料病情指數(shù)大于70.00,‘臺灣紅藜’表現(xiàn)高抗,病情指數(shù)最低,為4.44,占比2.00%,表現(xiàn)抗病的有‘QA064’,占比2.00%,表現(xiàn)中抗的有‘隴藜2號’和‘HL-Q5’,占比4.00%,表現(xiàn)感病有‘QA045’‘QA050-2’和‘青海-02’,占比6.00%;其余43份材料均表現(xiàn)高感,占比86.00%。
表2 藜麥種質(zhì)資源霜霉病抗性室內(nèi)離體葉片接種鑒定Table 2 Resistance identification of quinoa germplasm accessions against Peronospora variabilis by indoor artificial inoculation of the detached leaves
以田間全葉病情指數(shù)、三葉病情指數(shù)及室內(nèi)離體葉片病情指數(shù)共同作為聚類分析的統(tǒng)計指標(biāo),采用組間連接法進(jìn)行聚類分析,以平方歐式距離(Squared Eucideandistance)2.5為聚類分割點(diǎn)時(圖2),50份藜麥材料聚為5類。第一類僅為‘臺灣紅藜’,第二類僅為‘QA064’,第三類包含‘隴藜2號’和‘HL-Q5’,第四類包括‘QA045’‘QA050-2’‘高臺02’和‘青海-02’,其余42份材料為第5類。結(jié)合田間和室內(nèi)抗性評價,聚類分析第一類可定為高抗材料,第二類為抗病材料,第三類為中抗材料,第四類為感病材料,第五類為高感材料。
植株發(fā)病率、病葉率和病情指數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient)分析表明(表3),植株田間發(fā)病率、室內(nèi)病葉率、全葉病情指數(shù)、三葉病情指數(shù)和室內(nèi)病情指數(shù)相互之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),尤其是三葉法病情指數(shù)和全葉法病情指數(shù)、室內(nèi)病情指數(shù)和全葉法病情指數(shù)以及室內(nèi)病情指數(shù)和三葉法病情指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)分別高達(dá)0.924,0.976和0.925,充分說明這幾項指標(biāo)能夠相互印證,從一定程度上真實(shí)準(zhǔn)確地反映出了病害發(fā)生的實(shí)際情況。
表3 發(fā)病率、病葉率和病情指數(shù)的皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation analysis of disease incidence,infection leaves rate and disease index
藜麥遺傳多樣性高,生態(tài)類型多樣,抗性變異大[35],這為抗病性評價提供了先天基礎(chǔ),國外的研究已得到證實(shí)。Kumar等[33]對引進(jìn)的34份藜科種質(zhì)資源,包括7個野生型和27個不同來源的藜麥種質(zhì)資源在印度中東部田間自然感病條件下采用“兩點(diǎn)法”(Two-point method)進(jìn)行了霜霉病抗性評價和篩選,7個野生型和4份藜麥資源‘PI 510532’‘CHEN 67/78’‘Ames 22158’和‘CHEN 7/81’表現(xiàn)為免疫/高抗。Colque-Little等[36]在3個獨(dú)立的溫室中對132個藜麥基因型(5個對照、21個栽培種和106份種質(zhì))材料通過接種病原菌開展了霜霉病抗性評價和表型鑒定,結(jié)果顯示對照品種C.album,Puno,基因庫種質(zhì)‘G41’‘G42’‘G76’‘G93’‘G96’和‘G112’抗性最高,而對照品種‘Vikinga’,栽培種‘CV13’和‘CV21’及種質(zhì)‘G4’‘G9’‘G57’‘G67’‘G82’‘G91’最易感病。本研究首次在本土環(huán)境條件下,對來自國內(nèi)外的50份藜麥種質(zhì)資源分別通過田間自然感病和室內(nèi)離體葉片接菌的方法進(jìn)行了霜霉病抗性鑒定和評價,結(jié)果顯示其發(fā)病率和病情指數(shù)表現(xiàn)出較大的變化(發(fā)病率13.30%~100.00%,病情指數(shù)1.00~100.00);50份材料中無免疫品種,絕大多數(shù)表現(xiàn)高感,‘臺灣紅藜’表現(xiàn)高抗,‘QA064’表現(xiàn)抗病,‘隴藜2號’和‘HL-Q5’表現(xiàn)中抗,這進(jìn)一步證實(shí)藜麥霜霉菌侵染程度的高度變異和藜麥種質(zhì)抗性存在明顯差異[22,33,35]。藜麥霜霉病病原菌P.variabilis屬卵菌(Oomycetes),有性生殖是卵配生殖(Oogamous),存在異宗配合(Heterothallic)現(xiàn)象[37],可促進(jìn)菌群的進(jìn)化和變異,產(chǎn)生許多新的毒力基因[38]。而在此試驗(yàn)中,我們盡量保持了相同單一菌株,然而,由于毒力基因的分化,同一藜麥材料可能對不同霜霉病菌株的抗性存在差異,在今后的研究中需要關(guān)注這一問題。
本研究中表現(xiàn)高抗的‘臺灣紅藜’(C.formosanum)是臺灣土著假谷物作物[10],與藜麥(C.quinoa)同屬莧科藜屬,兩者的生物學(xué)特性非常相似[39],其營養(yǎng)價值非常接近。我國藜麥產(chǎn)學(xué)研相關(guān)人員通常將臺灣紅藜列為藜麥的一個品種[32]。本研究首次發(fā)現(xiàn)了作為藜麥近緣種的‘臺灣紅藜’能夠被P.variabilis侵染?!_灣紅藜’生育期長,植株高大,生物量多,是作為飼草型藜麥的首選。表現(xiàn)中抗的‘隴藜2號’是由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所選育的糧飼兼用型品種,可在生產(chǎn)中直接應(yīng)用。該研究為藜麥霜霉病抗性基因的挖掘、利用及抗病機(jī)理的探究和防控奠定了基礎(chǔ)。
藜麥霜霉病抗性鑒定時期至關(guān)重要,若過早,則病害未充分發(fā)生,真實(shí)抗性容易被掩蓋,若過遲,則病葉嚴(yán)重脫落,抗性不易觀察,因此,恰當(dāng)?shù)臅r期能夠充分體現(xiàn)病害侵染最嚴(yán)重程度和最真實(shí)抗性。本研究在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)藜麥霜霉病在盛花期發(fā)病最重,因此,選擇盛花期作為抗性鑒定的時期。這與人們普遍認(rèn)為花芽分化期是藜麥種質(zhì)資源霜霉病抗性鑒定最重要和關(guān)鍵時期[33]基本吻合。藜麥的霜霉病抗性與其生育期密切相關(guān),一般來說晚熟比早熟品種更具抗性[40]。通常情況下,早熟品種會在霜霉病肆虐前成熟,從而逃避了侵染,表現(xiàn)出“假抗性”[41]。高抗材料‘臺灣紅藜’屬晚熟品種,生育期高達(dá)170 d,明顯高于其他材料。Kumar等[33]篩選的免疫品種中,除‘CHEN 67/78’(119 d)外,其余‘PI 510532’(158 d)、‘CHEN 7/81’(134 d)和‘Ames 22158’(131 d)均是晚熟品種。
目前,尚無統(tǒng)一有效和可重復(fù)的藜麥霜霉病嚴(yán)重度測定方法[20,33]??煽康脑u價方法對病害流行病學(xué)研究、產(chǎn)量損失評估、致病性和毒力測定及種質(zhì)資源抗性鑒定至關(guān)重要[20]。本研究采用田間和室內(nèi)離體葉片鑒定相結(jié)合的方法進(jìn)行評價,結(jié)果顯示田間發(fā)病率和室內(nèi)病葉率、田間病情指數(shù)(“全葉法”和“三葉法”)和室內(nèi)病情指數(shù)非常接近,相關(guān)性系數(shù)分別為0.660,0.976和0.925,表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表3)。50份材料抗性鑒定結(jié)果基本一致,除‘QA064’田間鑒定為高抗,而室內(nèi)鑒定為抗病,‘高臺02’田間鑒定為感病,室內(nèi)鑒定為高感,‘青海-02’田間鑒定為高感,室內(nèi)鑒定為感病外,其余材料完全一致,這種差異可能是由于室內(nèi)鑒定法接菌量大,材料離體抗病性弱[42]及田間自然感病鑒定受諸多因素影響[43]所致。一般而言,田間評價不會十分準(zhǔn)確,因?yàn)榧闹骰蛐汀敛≡蛐汀镰h(huán)境(G×G×E)的互作效應(yīng)在大田中無法控制,包括田間條件、寄主、小氣候溫濕度、菌株毒力和孢子分布等因素都對抗性鑒定產(chǎn)生影響[41]。此外,病原菌侵染的癥狀受葉片組織的位置和葉齡的影響[44],可能產(chǎn)生誘導(dǎo)性抗性,這種抗性不僅發(fā)生在初始侵染位置,而且也發(fā)生在末梢和未侵染的部分[45]。而離體葉片鑒定技術(shù)的溫濕度可控,接種量分布均勻,被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)室評估霜霉病抗性最可靠的方法[20],總之,離體葉片鑒定法是一種霜霉病抗性評價的理想方法。
本研究采用了傳統(tǒng)的“全葉法”和“三葉法”調(diào)查病害嚴(yán)重度,計算病情指數(shù),結(jié)果顯示兩種測定方法的病情指數(shù)非常近似,且呈極顯著性正相關(guān)(r=0.92)(P<0.01),這充分說明兩種方法均可靠可行,但是,由于藜麥植株高大,葉片數(shù)量多,“全葉法”測定工作量大,尤其是在田間對大批量種質(zhì)資源抗性的評價。而“三葉法”因只對單葉進(jìn)行嚴(yán)重度評估而具有簡便、快捷的優(yōu)點(diǎn),其結(jié)果的可比較性和重復(fù)性好,且其也是預(yù)測霜霉病產(chǎn)量損失的最佳方法[20]。由此可見,“三葉法”在霜霉病抗性鑒定和產(chǎn)量損失評價等方面具有簡便、快捷和可靠的特點(diǎn),應(yīng)成為田間霜霉病抗性研究的首選方法。
本研究表明藜麥種質(zhì)對霜霉病的抗性存在明顯差異,藜麥及其近緣種中存在豐富的抗性材料;首次發(fā)現(xiàn)‘臺灣紅藜’能被P.variabilis侵染,但其表現(xiàn)高抗,藜麥材料‘QA064’表現(xiàn)抗病,‘隴藜2號’和‘HL-Q5’表現(xiàn)中抗;進(jìn)一步證實(shí)田間藜麥霜霉病抗性鑒定采用“三葉法”在藜麥?zhǔn)⒒ㄆ谶M(jìn)行效果較好,相比而言,室內(nèi)離體葉片接菌鑒定技術(shù)更具優(yōu)勢。