彭 燁,康厚祥

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲害生物學(xué)國家重點實驗室,北京 100193)

小麥?zhǔn)钱?dāng)前世界上分布最廣、種植面積最大的糧食作物,產(chǎn)量占世界糧食總產(chǎn)量的28%,全世界約1/3人口以小麥為主糧[1-2],小麥的生產(chǎn)安全直接關(guān)系到世界糧食安全。小麥生產(chǎn)過程中,受到各種有害生物、非生物脅迫,其中,麥瘟病作為一種近年引起廣泛關(guān)注的小麥真菌病害,正處于全球擴(kuò)散階段。雖然目前全世界只有約5%的小麥產(chǎn)區(qū)受到直接影響,但麥瘟病所到之處,給小麥生產(chǎn)帶來了毀滅性打擊。例如,1988年-1992年,麥瘟病導(dǎo)致大面積推廣的巴西小麥品種‘Anahuac’總體減產(chǎn)11%～55%,即使多次使用殺菌劑,產(chǎn)量損失仍高達(dá)14%～32%[3]。2016年,麥瘟病擴(kuò)散到南亞孟加拉國,在雨季的暴發(fā)導(dǎo)致孟加拉國8個地區(qū)共1.5萬 hm2小麥發(fā)病,部分田塊產(chǎn)量損失高達(dá)100%[4]。2018年,麥瘟病在非洲贊比亞發(fā)生,發(fā)病田塊小麥損失達(dá)50%～100%[5]。由于麥瘟病對小麥生產(chǎn)威脅巨大,全世界小麥主產(chǎn)區(qū)國家均對其提高了警惕,相繼啟動了研究項目對麥瘟病進(jìn)行病原檢測、病害監(jiān)測預(yù)警及小麥抗病品種培育,并制定了相關(guān)政策法規(guī)對麥瘟病進(jìn)行檢疫預(yù)防等工作。其中,我國研究人員反應(yīng)迅速,直接或間接參與了阻止麥瘟病擴(kuò)大傳播的工作。我國主要參與單位包括中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和植物保護(hù)研究所、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等。具體工作主要體現(xiàn)在以下幾個方面,1)將我國的小麥種質(zhì)資源送往南美洲、孟加拉國進(jìn)行抗病性鑒定[6];2)對我國國內(nèi)廣泛存在的稻瘟病菌(水稻Oryza專化型,MoO)對小麥的侵染鑒定[7-8];3)開發(fā)田間麥瘟病菌實時檢測技術(shù)[9]。這些前期工作為應(yīng)對麥瘟病可能的傳入提供了抗病材料和基因資源,在檢測方面,我國開發(fā)的田間快速檢測技術(shù)在孟加拉國獲得成功應(yīng)用,起到了協(xié)助孟加拉國減緩麥瘟病擴(kuò)散、將麥瘟病防御于國門之外的雙重作用[6]。

為了更好地應(yīng)對麥瘟病全球擴(kuò)散帶來的威脅,使我國從事小麥政策管理、研究、生產(chǎn)等相關(guān)人員能全面了解、預(yù)防以及將來更好地通過抗病品種等各種有效方法控制可能發(fā)生的麥瘟病,本文從麥瘟病的傳播歷史、病原、防控方法、傳入亞洲和非洲后的現(xiàn)狀及相關(guān)研究進(jìn)展、我國開展的麥瘟病相關(guān)研究工作及展望等方面對麥瘟病進(jìn)行綜述。

1 麥瘟病的發(fā)生和擴(kuò)散

1.1 發(fā)生和危害

麥瘟病是一種真菌病害,小麥葉片、莖稈、穗頸和穗部均可發(fā)病,其中穗頸部發(fā)病(圖1[10])對小麥產(chǎn)量影響最大,嚴(yán)重時可導(dǎo)致產(chǎn)量損失高達(dá)100%[4]。麥瘟病癥狀具隱蔽性,早期很難被發(fā)現(xiàn),除部分品種在小麥苗期表現(xiàn)癥狀外,大部分感病品種病害常發(fā)生在生育后期,危害穗部。試驗表明,雖然在抗病品種和感病品種穗部早期(侵染12 h)均能在花藥、柱頭、花絲和內(nèi)穎上觀察到萌發(fā)的分生孢子和菌絲,但麥瘟病菌只在感病品種的穗軸中快速擴(kuò)展并導(dǎo)致穗部癥狀[11]。穗部典型癥狀:整個穗狀花序過早白化,出現(xiàn)“白尖”,受侵染嚴(yán)重時整穗呈白色干枯、谷粒干癟或空殼[12-13]。值得注意的是,麥瘟病穗部癥狀與小麥赤霉病癥狀具有一定程度的相似性,尤其在較為干燥的條件下,赤霉病和麥瘟病都導(dǎo)致白化穗[11],這種癥狀的相似性可導(dǎo)致對病害的錯判[14]。

麥瘟病菌的侵染循環(huán)如圖2所示,溫暖高濕環(huán)境下,麥瘟病菌分生孢子經(jīng)風(fēng)、雨水傳播,可黏附在麥葉疏水表面[15]或穗軸[16]上,4～6 h萌發(fā)產(chǎn)生芽管[17-19],12～18 h產(chǎn)生附著胞[19],附著胞進(jìn)一步形成侵入釘,之后附著胞及分生孢子發(fā)生自噬,致使?fàn)I養(yǎng)富集至侵染菌絲[20]。72～96 h生成的次生菌絲穿透到下一個細(xì)胞,完成定殖[21]。在寄主細(xì)胞間侵染菌絲繼續(xù)擴(kuò)展,穿透寄主細(xì)胞,伸展并分化成分生孢子梗,分生孢子梗上形成的分生孢子成熟后,在適宜的條件下開始新一輪的循環(huán)。麥瘟病菌可在小麥或者麥田附近其他寄主上越冬,作為翌年的初侵染源[22-24]。

圖1 田間小麥穗頸瘟[10]Fig.1 Wheat neck blast in the field[10]

圖2 麥瘟病菌的侵染循環(huán)Fig.2 Infection cycle of Magnaporthe oryzae pathotype Triticum

1.2 麥瘟病的蔓延

麥瘟病暴發(fā)首次官方報道出現(xiàn)在1985年巴西南部巴拉那州[25]。1986年,該病蔓延到巴拉那州北部和西部以及鄰近的圣保羅州西北部和南馬托格羅索州南部。隨后,在巴西其他重要的小麥產(chǎn)區(qū)也發(fā)現(xiàn)了麥瘟病[26-30]。其中,1988年-1992年,感病品種‘Anahuac’在巴西大面積推廣,麥瘟病導(dǎo)致減產(chǎn)11%～55%,之后,即使抗病品種的綜合推廣也難以徹底控制麥瘟病的蔓延[3]。麥瘟病在巴西擴(kuò)大傳播后,即使麥田施用多次殺菌劑,產(chǎn)量損失依然高達(dá)14%～32%[3]。

1996年,麥瘟病蔓延至玻利維亞東部最重要的小麥產(chǎn)區(qū)圣克魯斯,為巴西以外地區(qū)首次出現(xiàn)麥瘟病[31]。2002年,麥瘟病又蔓延到巴拉圭東部[32],2007年傳至阿根廷東北部[33],2012年,在布宜諾斯艾利斯的小麥試驗站發(fā)現(xiàn)了麥瘟病,威脅到阿根廷小麥主產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)安全[34]。在南美洲,麥瘟病造成了高達(dá)300萬 hm2小麥嚴(yán)重減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)[30,35],成為制約南美洲小麥生產(chǎn)安全的主因。2011年,美國肯塔基州也發(fā)現(xiàn)了麥瘟病,后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)其為黑麥草Loliumperenne上分離到的Lolium專化型(MoL)導(dǎo)致[36]。

2016年,麥瘟病在南亞孟加拉國暴發(fā),是其首次在美洲以外出現(xiàn)的報道[37]。小麥在孟加拉國是僅次于水稻的第二大糧食作物,麥瘟病在孟加拉國的暴發(fā)導(dǎo)致該國西南部和南部8個區(qū)的1.5萬 hm2小麥?zhǔn)芎?部分區(qū)域產(chǎn)量損失高達(dá)100%[4]。隨后,麥瘟病蔓延至其鄰國印度,作為世界第二大小麥生產(chǎn)國,印度政府對麥瘟病高度重視并采取了嚴(yán)格防范措施[38](詳見本文第5部分)。

2018年,麥瘟病首次傳入非洲,贊比亞的農(nóng)田和小麥試驗田里均出現(xiàn)麥瘟病[5]。麥瘟病易傳播、可在合適的氣候條件下暴發(fā),全球種子貿(mào)易、氣候變化等因素都可能加劇麥瘟病的傳播及擴(kuò)散,麥瘟病近年來快速傳入亞洲和非洲并完成定殖,提醒我國必須作出快速反應(yīng),提高預(yù)防等級,防止其傳入我國。

1.3 傳播載體

麥瘟病菌主要借助風(fēng)力,以分生孢子進(jìn)行傳播,也可通過帶病種子進(jìn)行超遠(yuǎn)距離傳播[3,37]。值得重視的是,在麥瘟病流行區(qū),外表看似健康的小麥種子也可能攜帶麥瘟病菌的菌絲和孢子,一旦這些種子進(jìn)入市場,并在氣候適宜發(fā)病區(qū)種植,麥瘟病便可傳播至這些新地區(qū)[37]。近年來的兩次重大麥瘟病擴(kuò)散事件,第一次是從南美洲擴(kuò)散到亞洲孟加拉國,第二次是擴(kuò)散到非洲的贊比亞,均被認(rèn)為主要由種子帶菌傳播導(dǎo)致[37,39]。

1.4 流行條件

目前,麥瘟病發(fā)病區(qū)域主要集中在熱帶、亞熱帶高溫多雨地區(qū)。氣候條件中,溫度和濕度條件對麥瘟病發(fā)病嚴(yán)重程度影響最大,麥瘟病發(fā)病的最適條件為25～30℃,濕度80%以上保持24～40 h[7,40]。對玻利維亞麥瘟病流行季節(jié)與氣候進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),麥瘟病發(fā)生嚴(yán)重程度與降雨密切相關(guān)[41]。2011年Duveiller等根據(jù)氣候相似法推斷出印度中部、孟加拉國、埃塞俄比亞以及其他包括亞洲、歐洲、北美洲和大洋洲部分地區(qū)在內(nèi)的廣大區(qū)域是麥瘟病發(fā)生的高危地區(qū)[42]。部分學(xué)者通過模型預(yù)測發(fā)現(xiàn),全球麥瘟病適生區(qū)主要包括南美中東部、北美南部、非洲中西部和東南部、南亞東南部和東南亞以及澳大利亞東部沿海地區(qū)。中國適生區(qū)主要分布在云南南部、廣西中部、廣東中南部及福建、臺灣等地[43-44]。雖然目前預(yù)測中國麥瘟病發(fā)生的高風(fēng)險地區(qū)較少,但現(xiàn)有的預(yù)測模型僅基于南美洲麥瘟病的發(fā)病情況及麥瘟病尚未傳入亞洲、非洲的前提條件下,然而,目前麥瘟病在亞洲和非洲已完成定殖,隨著全球氣候變化、麥瘟病菌群體的擴(kuò)大和對新環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化,會導(dǎo)致其進(jìn)一步擴(kuò)散的風(fēng)險劇增。

2 麥瘟病病原

麥瘟病病原菌為MagnaportheoryzaepathotypeTriticum,無性態(tài)為稻梨孢Pyriculariaoryzae,簡稱為麥瘟菌或MoT,與廣泛存在的水稻稻瘟菌MagnaportheoryzaepathotypeOryza,MoO屬于同種不同?；蚚45]。除水稻和小麥外,Magnaportheoryzae還能廣泛侵染單子葉作物及雜草,如燕麥Avenasativa、大麥Hordeumvulgare、黑麥草Loliumperenne、龍爪稷Eleusinecoracana、狗尾草Setariaviridis等50多種禾本科植物[46]?；蚪M測序分析發(fā)現(xiàn),從同一寄主分離到的菌株在遺傳上最接近,而從不同寄主分離到的菌株分為不同的簇,即:菌株的親緣關(guān)系與寄主具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系[47]。根據(jù)寄主植物或致病性的不同劃分為不同的?；蚚48]:除麥瘟病菌(MoT)和稻瘟病菌(MoO)外,從燕麥上分離的為Avena?；?MoA),從黑麥草上分離的為Lolium?；?MoL),從龍爪稷上分離的為Eleusine?；?MoE),從狗尾草上分離的為Setaria?；?MoS)。雖然菌株與寄主的相對嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系可將菌株分為不同的致病型,但是也存在不同致病型交叉侵染其非分離寄主的情況(表1)。例如:MoT可侵染大麥、黑麥草、小黑麥、硬粒小麥Triticumturgidumsubsp.durum和燕麥等;MoO和MoL均可侵染小麥[6-7,49-62]等(表1)。

表1 不同寄主致病型之間交叉侵染情況Table 1 Cross infections of different Magnaporthe oryzae pathotypes

有研究表明小麥麥瘟病菌不能侵染水稻,水稻稻瘟病菌也不能侵染小麥[63]。然而,在印度西北邊界收集到的小麥樣品中存在水稻稻瘟病菌菌株[64],表明水稻稻瘟病菌有侵染小麥的潛在可能性。近年來,包括筆者所在的團(tuán)隊及國內(nèi)外其他多家單位通過室內(nèi)試驗均驗證了水稻稻瘟病菌可侵染小麥葉片和麥穗,導(dǎo)致小麥產(chǎn)生類似麥瘟病病斑[6-7]。由于我國稻麥輪作區(qū)域廣泛,包括江蘇、安徽、河南、湖北北部、四川北部、陜西南部等廣大地區(qū),水稻稻瘟病菌能侵染小麥的現(xiàn)象為廣大稻麥輪作區(qū)小麥病害的防控提出了新挑戰(zhàn)。1)氣候條件適宜情況下,這些區(qū)域存在的大量水稻稻瘟病菌是否可能通過寄主跳躍轉(zhuǎn)移到小麥;2)麥瘟病全球擴(kuò)散背景下,如何準(zhǔn)確、高效地區(qū)分麥瘟病菌和水稻稻瘟病菌,亟須開發(fā)出精確的檢測技術(shù),以對潛在的麥瘟病菌入侵進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測與預(yù)警。

3 麥瘟病檢測

3.1 麥瘟病菌檢測技術(shù)

病原真菌可通過菌絲、分生孢子等結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)獲得大量繁殖。病原檢測、病害監(jiān)測并阻斷初侵染源是有效的防控方法。由于麥瘟病菌在侵染初期尤其是穗瘟初期并不出現(xiàn)癥狀,需建立精準(zhǔn)檢測技術(shù)用于檢測癥狀出現(xiàn)之前低拷貝的麥瘟病菌。轉(zhuǎn)座元件序列如Pot2、MGR583和MOTeR已被用于鑒定稻瘟菌MoO,但都不能區(qū)分小麥麥瘟病菌、水稻稻瘟病菌及其他?；蚚65]。Pieck 等開發(fā)出MoT3標(biāo)記用于區(qū)分小麥麥瘟病菌和稻瘟病菌的不同專化型[66],也有研究表明MoT3標(biāo)記檢測對于部分水稻稻瘟病菌具有陽性交叉反應(yīng)[67],但后續(xù)研究顯示其依然是有效區(qū)分麥瘟病菌和其他?；偷臉?biāo)記[68]。MoT3標(biāo)記是基于同源基因的序列多態(tài)性開發(fā)出的標(biāo)記,為了開發(fā)出更好地區(qū)分水稻稻瘟病菌和小麥麥瘟病菌的分子標(biāo)記,Kang 等利用比較基因組學(xué)方法,基于特異序列的有無,開發(fā)出一對分子標(biāo)記Mo6098,能完全區(qū)分小麥麥瘟病菌和水稻稻瘟病菌[9]。因此,結(jié)合Mo6098以及MoT3標(biāo)記,能嚴(yán)格避開水稻稻瘟病菌對檢測的干擾,更加準(zhǔn)確無誤地檢測麥瘟病菌。此外,Thierry等采用qPCR方法,利用特異標(biāo)記C17對麥瘟病菌進(jìn)行檢測,達(dá)到了1 pg級別的檢測靈敏度[69]。

3.2 麥瘟病病害診斷

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)由勞動力密集型逐步轉(zhuǎn)向機(jī)械化和自動化,怎樣從大面積農(nóng)田中準(zhǔn)確、快速識別病害尤其是新入侵病害是亟須解決的新問題。除分子生物學(xué)檢測方法外,基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)及遷移學(xué)習(xí)等病害機(jī)器識別技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景[70]。目前利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在小麥病害中的識別研究發(fā)現(xiàn),機(jī)器可以用于區(qū)分小麥麥瘟病和白粉病,但難以準(zhǔn)確區(qū)分麥瘟病和銹病[70],不能區(qū)分差異較小的麥瘟病和赤霉病,更不能從眾多的病害類型中準(zhǔn)確鑒定出一種特定的病害。因此,機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在麥瘟病識別方面依然亟須開發(fā)出更先進(jìn)、精準(zhǔn)的識別技術(shù)。

4 麥瘟病的防控方法

4.1 抗麥瘟病小麥資源及抗病基因的利用

抗麥瘟病品種的培育和推廣是目前最為經(jīng)濟(jì)有效的麥瘟病防治方法。加快麥瘟病抗病資源的挖掘以及充分合理利用已知的抗麥瘟病基因?qū)Ψ揽佧溛敛【哂兄匾獙嶋H意義。2NS/2AS片段是從偏凸山羊草Aegilopsventricosa引入到小麥中,對多種生物脅迫表現(xiàn)抗性的區(qū)域,2NS/2AS片段除抗麥瘟病外,還帶有抗小麥葉銹基因(Lr37)、抗小麥條銹基因(Yr17)和抗小麥稈銹基因(Sr38)[71],同時,對小麥孢囊線蟲[72]、根結(jié)線蟲[73]等也具有良好的抗病性。2NS/2AS片段在小麥麥瘟病抗性中的重要作用,表現(xiàn)為抗病性強(qiáng)且抗性持久等特征[74-75]。Agarwal等通過接種大量小麥品種資源結(jié)合分子生物學(xué)鑒定發(fā)現(xiàn),對麥瘟病抗性穩(wěn)定的品種中均包含2NS/2AS[76]。據(jù)此開發(fā)出了Ventriup-LN2、WGGB156、WGGB159等STS分子標(biāo)記,可用于輔助選擇育種[77-78]。結(jié)合2NS/2AS片段以及其他農(nóng)藝性狀,可選出抗麥瘟病且農(nóng)藝性狀優(yōu)良的小麥品種[76,79]。然而巴西近年來出現(xiàn)了克服2NS/2AS片段抗病性的麥瘟菌小種,這種致病力強(qiáng)的小種在巴西局部地區(qū)分布比例高達(dá)80%[21]。

當(dāng)前,雖然2NS/2AS片段賦予的抗病性對孟加拉國的麥瘟病菌依然非常有效,但巴西的案例表明,依賴單一2NS/2AS片段的抗病品種抗性可被麥瘟病菌克服[21]。另外,有研究結(jié)果表明,2NS/2AS片段對麥瘟病的抗病性還與品種的遺傳背景有關(guān)。攜帶2NS/2AS片段的不同小麥品種對致病力強(qiáng)的麥瘟病菌小種P14-039的抗性水平不同,其中,包括‘Caninde 1’‘Milan’在內(nèi)的10個品種表現(xiàn)出高抗病性,5個品種表現(xiàn)出中抗(感)病性,另外4個品種表現(xiàn)出感病性[80]。綜上,合理利用2NS/2AS片段及尋找其他不依賴2NS/2AS片段的新抗源材料是持續(xù)應(yīng)對麥瘟病威脅的必要途徑[81]。

除2NS/2AS片段外,目前小麥中還報道了多個抗麥瘟病的基因。Zhan等從六倍體普通小麥‘Thatcher’中鑒定到Rmg2和Rmg3[82]。Rmg2和Rmg3對高溫敏感且主要在苗期表現(xiàn)抗病。從四倍體二粒小麥中鑒定到Rmg7[83],在苗期和穗期均具有抗性,但同樣對高溫敏感,在溫度高于26℃時,抗病性喪失。由于麥瘟病主要危害穗部,高溫高濕條件下易發(fā)病,因此,抗麥瘟病基因必須在抽穗期表達(dá)且在高溫下有效,才能在田間發(fā)揮功能。同時,Rmg2、Rmg3和Rmg7的抗病性已被部分麥瘟病菌小種克服[10]。來自六倍體普通小麥‘S-615’中的Rmg8對麥瘟病菌侵染葉片和穗部表現(xiàn)抗病反應(yīng),且在溫度高于25℃仍具有抗病功能[84]。六倍體小麥地方品種‘GR119’中鑒定到RmgGR119,研究表明Rmg8和RmgGR119可共同介導(dǎo)對孟加拉國麥瘟病的高抗病性[85]。Rmg8誘導(dǎo)的小麥抗性可被麥瘟病菌效應(yīng)子PWT4抑制,這種抑制可被識別PWT4的小麥抗性基因Rwt4所抵消,因此,將Rmg8與Rwt4共同使用可提供穩(wěn)定的抗病性[86]。

在MoT無毒基因方面,目前已鑒定到無毒基因Avr-Rmg8[87],它被2個小麥R基因識別(Rmg7,Rmg8)。在南美和孟加拉國分離的麥瘟病菌菌株中發(fā)現(xiàn)了多個Avr-Rmg8等位基因,如eI、eII’、eII[85,88]。

此外,在小麥中還鑒定到多個抗其他?；偷目共』?包括Rmg1(Rwt4)、Rmg4、Rmg5、Rmg6-A1(Rwt3)、Rmg9(Rwt6)和隱性抗病基因RmgTd(t)[89-93],其中Rmg6-A1(Rwt3)、Rmg1(Rwt4)和Rmg9(Rwt6)分別識別相應(yīng)的Avr基因PWT3、PWT4和PWT6[89,91-92]。通過MoT與其他專化型雜交解析了無毒基因PWT1、PWT2、PTW5的功能[94-96],但尚未在小麥中發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的抗病基因(表2)。

表2 抗麥瘟病基因/位點信息Table 2 Information of wheat blast resistance gene or gene loci

水稻中有100多個抗稻瘟病菌基因被鑒定,其中35個基因已被克隆。其中,廣譜抗病基因Pi9、Pizt、Pi54等所對應(yīng)的水稻稻瘟病菌的無毒基因在小麥麥瘟病菌中均有一個非常保守的同源基因,其中AvrPizt與其在麥瘟病菌中的直系同源基因(AvrPizt-MoT)之間只有4～6個編碼氨基酸差異,此外,研究人員分析了AvrPizt-MoT的功能,發(fā)現(xiàn)其在水稻原生質(zhì)體中能被抗病基因Pizt識別,然而,將Pizt轉(zhuǎn)入小麥中卻不能介導(dǎo)小麥對麥瘟病的抗病性,表明抗病基因的抗性可能與特定的遺傳背景有關(guān)。有必要進(jìn)一步利用Pi9、Pi54轉(zhuǎn)化小麥分析其是否也受遺傳背景的制約[97]。另外,通過小麥參考基因組比對到2個稻瘟病感病基因bsr-d1和bsr-k1的同源基因,通過基因編輯等方式修改這些基因是獲得小麥抗麥瘟病新品系的潛在方式[98]。

4.2 農(nóng)業(yè)防治

農(nóng)業(yè)防治是采用合理的耕作制度、加強(qiáng)田間管理等方式來防治病害。在玻利維亞、巴西和巴拉圭推遲小麥播種期,使小麥抽穗期與溫暖、多雨天氣錯開,可有效降低麥瘟病對小麥造成的產(chǎn)量損失[99]。由于麥瘟病菌可侵染的單子葉植物范圍廣泛,且不同?；烷g存在交叉侵染[6-7,49],所以在進(jìn)行輪作、間套種等種植制度時都需要慎重選擇禾本科作物或選取非禾本科作物[46]。保持麥田衛(wèi)生,能杜絕麥瘟病菌在小麥或麥田附近其他雜草寄主上寄生[22-24],通過深耕掩埋,清除田間其他麥瘟病菌交叉寄主,減少下一季的初始菌量[100]。孟加拉國麥瘟病暴發(fā)后,印度迅速采取措施,在孟加拉國與印度邊界5 km范圍內(nèi)種植綠豆、黑豆、油菜、馬鈴薯等作物替代小麥[101],政府還規(guī)定部分邊境高風(fēng)險區(qū)域至少2～3年不種小麥,形成麥瘟病隔離屏障,有效阻斷了麥瘟病的快速傳播。

合理施肥能減輕病害發(fā)生。巴西小麥?zhǔn)┯霉璺屎?顯著減輕了病害的發(fā)生,增產(chǎn)26%～92%[102]。研究表明,施硅提高了小麥對麥瘟病的抗病性[16,103],可能原因包括硅元素能促進(jìn)防御基因表達(dá)[16],增強(qiáng)植物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性[104],影響氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率[104],促進(jìn)類黃酮生物合成及酚類化合物沉積[105]。除硅外,硼、鋅也有增強(qiáng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)作用,Kabir等的試驗證明單獨施用硅、硼、鋅或三者中任兩者配施均可顯著降低小麥麥瘟病導(dǎo)致的穗部白化率,若三者配合施用,麥瘟病發(fā)病率可降低47%[103]。

由于種子易攜帶麥瘟病菌遠(yuǎn)距離傳播[37,99,106],作為尚未發(fā)現(xiàn)麥瘟病的國家,我國應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對進(jìn)口小麥種子材料及小麥制品的檢疫與監(jiān)管,尤其需對來自麥瘟病發(fā)病國家與地區(qū)的小麥產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格管制。

4.3 化學(xué)防治

化學(xué)防治是病害防治的重要手段之一,麥瘟病的化學(xué)防治主要采取種子處理和地上部噴施。實驗室條件下,利用種子消毒劑次氯酸鈉處理小麥種子10 min,發(fā)病率可下降55.45%,但次氯酸鈉對種子發(fā)芽率有影響。消毒劑過氧乙酸對小麥、水稻種子有更好的殺菌效果,且能穩(wěn)定提高帶毒種子發(fā)芽率[107-108]。用苯菌靈和多菌靈混合處理小麥種子,田間麥瘟病發(fā)病率顯著降低[109]。異噻菌胺是異噻唑類殺菌劑,能激發(fā)小麥自身防御能力,無論是用于種子處理還是土壤處理,均能顯著降低麥瘟病的發(fā)病率[110]。異硫氰胺處理小麥種子可顯著抑制病菌生長且對小麥幼苗無明顯藥害,具有較高的防治麥瘟病潛力[110]。

與種子處理相比,葉面噴施殺菌劑作用更直接。葉面噴施三環(huán)唑和其他殺菌劑后,小麥葉片上麥瘟病菌的分生孢子數(shù)量比未噴施對照減少62%～77%[15]。在接種前24 h噴施硅酸鉀能抑制菌絲生長,噴施磷酸鉀、乙烯利可使病害程度顯著降低。巴西的小麥生產(chǎn)實踐表明,對小麥品種早期噴施5組葉面殺菌劑:啶氧菌酯懸浮劑+環(huán)唑醇,肟菌酯+戊唑醇,嘧菌酯+環(huán)唑醇,唑菌胺酯+氟環(huán)唑,三環(huán)唑,能有效控制病害和減少損失,原因是抽穗早期和灌漿早期噴施能減少下部葉片累積的麥瘟病菌菌量,從而減少穗部的感染[15]。

由于長期單獨施用甲氧基丙烯酸酯類(QoI)殺菌劑,麥瘟病菌已對其產(chǎn)生了抗藥性[111]。采用不同類型殺菌劑輪換使用,或采用多組分殺菌劑混用比單一殺菌劑防治麥瘟病更有效[112-114],能減緩麥瘟病菌抗藥性的產(chǎn)生。在巴西,Ascari等分析了噴施不同類型殺菌劑對巴西小麥產(chǎn)量的影響,長達(dá)9年(2012年-2022年)的田間試驗結(jié)果表明,噴施保護(hù)性殺菌劑代森錳鋅、三唑類殺菌劑戊唑醇或4組QoI類與其他類型殺菌劑混用(嘧菌酯+戊唑醇,肟菌酯+丙硫菌唑,肟菌酯+戊唑醇,唑菌胺酯+氟環(huán)唑;每組中前者為QoI類殺菌劑,后者為其他類型),與對照相比,小麥產(chǎn)量提高達(dá)2倍[113],說明殺菌劑混合、配合施用能有效防控麥瘟病[113]。孟加拉國以小麥‘BARI Gom 26’為材料測試了10種殺菌劑,分別在抽穗前和出現(xiàn)麥瘟病癥狀后噴藥3次,每次間隔7 d。發(fā)現(xiàn)Filia懸乳劑(40%三環(huán)唑+12.5%丙環(huán)唑)和Seltima微囊懸浮劑(10%吡唑嘧菌酯)施用可分別顯著降低麥瘟病的發(fā)病率至1.23%和3.33%。大田條件下,Nativo 75水分散粒劑(50%戊唑醇+25%肟菌酯)、Amistar Top 325懸浮劑(20%嘧菌酯+12.5%苯醚甲環(huán)唑)和Cabrio Top 60水分散粒劑(5%唑菌胺酯+55%代森聯(lián))3種藥劑混施防治效果最好,發(fā)病率可降至4%,產(chǎn)量提高88%。從抽穗期開始,每隔13～15 d噴施2次,可達(dá)到較好的防治效果[115]。

4.4 生物防治

微生物或者天然生物活性化合物防治病害,被認(rèn)為是一種環(huán)境友好且可持續(xù)的病害防治策略。麥瘟病的生防菌主要是細(xì)菌,特別是芽胞桿菌有很大的防治潛力[116-117]。通過分析解淀粉芽胞桿菌Bacillusamyloliquefaciens(BTS-4)、枯草芽胞桿菌Bacillussubtilis(BTS-3),發(fā)現(xiàn)這兩種生防菌可通過分泌抗菌化合物或是誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性來防治MoT[116]。另外,從小麥種子中分離鑒定到的解淀粉芽胞桿菌BTLK6A在體外對麥瘟病菌有明顯的抑制作用(未發(fā)表數(shù)據(jù),Moutoshi)。Chakraborty等發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌109GGC020合成的5種脂肽能抑制麥瘟病菌菌絲生長、抑制分生孢子產(chǎn)生和萌發(fā),以及抑制附著胞的形成[117],1 g/L脂肽能顯著減輕離體葉片麥瘟病癥狀[117]。除芽胞桿菌外,更多對麥瘟病具有生防潛力的微生物資源有待進(jìn)一步發(fā)掘和利用。

5 麥瘟病在亞洲和非洲的發(fā)生現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

2016年2月,麥瘟病在孟加拉國暴發(fā),短時間內(nèi)危害面積達(dá)1.5萬 hm2,約占該國小麥種植面積的16%,部分地區(qū)產(chǎn)量損失高達(dá)100%[37]。與我們熟知的水稻稻瘟病菌同時侵染水稻葉片和穗頸不同,麥瘟病菌主要侵染小麥穗頸,由于難以掌握精準(zhǔn)的侵染時間且殺菌劑難以有效到達(dá)穗頸部位[39],為防控麥瘟病帶來了難度。由于麥瘟病的突然暴發(fā),迫使孟加拉國大大縮減了小麥的種植面積,2017-2018年度,孟加拉國的小麥種植面積僅為349萬 hm2,為前一年的79%,是過去30年來的最低水平[38]。對麥瘟病菌基因組分析發(fā)現(xiàn),孟加拉國麥瘟病菌在遺傳上與南美洲玻利維亞的麥瘟病菌親緣關(guān)系最近[118]。2018年,在非洲贊比亞的試驗田和農(nóng)田均發(fā)現(xiàn)了麥瘟病菌,麥瘟病發(fā)生田塊的損失達(dá)50%～100%[5]。通過分子標(biāo)記分析發(fā)現(xiàn),贊比亞的麥瘟病菌菌株與孟加拉國和玻利維亞菌株基因組相似度高[118]。贊比亞目前正在研究通過減少風(fēng)險區(qū)小麥的種植來防控麥瘟病[119],并啟動了合作研究項目,以防麥瘟病傳播擴(kuò)散到其他地區(qū)[5,119]。

為了防控麥瘟病,孟加拉國政府計劃引進(jìn)抗麥瘟病小麥品種[38],孟加拉農(nóng)業(yè)研究所(BARI)與國際玉米和小麥改良中心(CIMMYT)共同推出了兼抗麥瘟病和抗其他多種病害的小麥品種‘Bari Gom 33’[120],預(yù)計2029年-2030年,新開發(fā)的小麥品種的潛在經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其推廣成本,即使小麥新品種的推廣僅限于目前受麥瘟病影響的10個地區(qū),年平均凈收益也可能達(dá)到23萬至160萬美元[120]。推廣抗病品種的更主要作用是有助于防止麥瘟病在亞洲擴(kuò)大傳播。除此之外,孟加拉國呼吁麥瘟病相關(guān)研究數(shù)據(jù)共享,以及分享和推廣成功的治理經(jīng)驗[121]?！禨cience》期刊建議建立一個全球監(jiān)測系統(tǒng)(GSS),將生物安全實踐和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施惠及到低收入國家[121],使各個國家和地區(qū)能夠迅速應(yīng)對新出現(xiàn)的病害暴發(fā),確保糧食安全。孟加拉國政府與國際合作伙伴共同采取的精確檢測和管理策略,在隨后幾年減緩麥瘟病傳播方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[120-121]。目前,QoI類殺菌劑在孟加拉國尚有較好的防治效果,在抽穗前噴藥能顯著降低麥瘟病的發(fā)病率[115]。QoI類殺菌劑與保護(hù)性殺菌劑、三唑類殺菌劑混施,從抽穗期開始,噴施更少的藥劑便能達(dá)到較好的麥瘟病防治效果[115]。

盡管孟加拉國做出了諸多應(yīng)對措施來防控麥瘟病,但它仍擴(kuò)散到了其鄰近地區(qū),世界第二大小麥生產(chǎn)國印度[38]。印度與孟加拉國接壤的邊境地區(qū)西孟加拉邦根據(jù)政府的指示種植替代作物[101],及時防止了邊境地區(qū)小麥成為麥瘟菌入侵的橋梁。此外,印度政府還禁止在孟加拉國邊境線(長約2 200 km)5 km范圍內(nèi)種植小麥,并嚴(yán)格限制受侵染地區(qū)的小麥貿(mào)易[101]。基于麥瘟菌毀滅性的影響,印度加快了抗麥瘟病資源鑒定。Roy等連續(xù)5年在不同地方對印度和孟加拉國的小麥品種進(jìn)行了麥瘟病病情指數(shù)分析,結(jié)合抗性評估和標(biāo)記分析發(fā)現(xiàn)40個與麥瘟病抗性相關(guān)的分子標(biāo)記,位于2A染色體的抗性關(guān)聯(lián)標(biāo)記有33個,其他7條染色體(3B、3D、4A、5A、5D、6A、6B)各有1個,這些標(biāo)記中,位于2NS/2AS區(qū)域的2A_1751716和Ventri-up為最佳[122]。Phuke等通過GWAS分析確定了350份印度小麥的主要抗源材料均包含有2NS/2AS抗病區(qū)域[123],同時,還鑒定到除2NS/2AS外的2B_180938790、7A_752501634和5A_618682953三個SNP的組合表現(xiàn)出較好的抗病關(guān)聯(lián)性[123]。

另外,基于巴西巴拉那洲和南里奧格蘭德州10年氣候數(shù)據(jù)的模型預(yù)測,位于臨近南美洲的美國冬小麥產(chǎn)區(qū)有40%區(qū)域氣候條件適合麥瘟病發(fā)生[124],且美國多個地區(qū)適合麥瘟病發(fā)生的概率超過70%。由于南美洲與美國的小麥季節(jié)錯開,同時,在嚴(yán)格的檢測、監(jiān)測等防控措施下,有效降低了麥瘟病傳入美國的風(fēng)險。

6 我國麥瘟病相關(guān)研究工作進(jìn)展

中國作為小麥生產(chǎn)大國,高度警惕麥瘟病的進(jìn)展,及時跟進(jìn)了解其全球擴(kuò)散情況,主要開展的工作有:對麥瘟病流行進(jìn)行預(yù)測,掌握其適生區(qū),并呼吁相關(guān)政府、生產(chǎn)部門及時關(guān)注麥瘟病的發(fā)生發(fā)展動態(tài),同時在我國離孟加拉國較近的云南等邊境地區(qū),以及在我國小麥主栽區(qū)取疑似病樣進(jìn)行檢測;篩選和儲備抗病品種,并利用包含2NS/2AS等抗病基因的小麥培育出儲備抗病品種,同時,引進(jìn)國際上的優(yōu)良抗麥瘟病品種;開發(fā)出麥瘟病菌的檢測技術(shù),提供給孟加拉國等地使用;在實驗室對水稻稻瘟病菌侵染小麥能力進(jìn)行檢測,研究病原菌生物學(xué)和跨寄主侵染機(jī)制。研究進(jìn)展有下述4個方面:

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所和作物科學(xué)研究所呼吁對麥瘟病重視和進(jìn)行研究[125],對麥瘟病的適生區(qū)進(jìn)行了預(yù)測,提出全球麥瘟病的適生區(qū)為南美中東部、北美南部、非洲中西部和東南部、南亞東南部和東南亞等[43]。隨著2016年麥瘟病傳入南亞孟加拉國并暴發(fā),到2019年,研究結(jié)果表明麥瘟病菌已完成在孟加拉國的長期定殖,目前處于擴(kuò)大傳播階段。我國離孟加拉國較近的云南等邊界地區(qū),存在麥瘟病傳入風(fēng)險,本團(tuán)隊對上述地區(qū)及我國小麥主栽區(qū)白化穗病樣進(jìn)行取樣,利用已知的Mo6098、Mo6099標(biāo)記檢測,目前已獲得75個不同經(jīng)緯度地區(qū)樣品,暫未檢測到麥瘟病菌(未發(fā)表數(shù)據(jù))。隨著全球氣候變化以及極端天氣(如小麥抽穗期高溫、陰雨天氣)的增加,麥瘟病擴(kuò)大流行的風(fēng)險增加[43],可以推測,如不加以重視,麥瘟病存在進(jìn)一步擴(kuò)散至我國的可能性。

面對麥瘟病擴(kuò)散的威脅,我國在加快抗病品種培育與儲備進(jìn)程。當(dāng)前,小麥抗麥瘟病資源稀缺[77],目前篩選到的少數(shù)中等抗病材料包括:巴西的‘IAPAR53’‘BRS49’‘BRS120’‘BRS220’；玻利維亞的‘SausalCIAT’‘MotacuCIAT’‘PatujuCIAT’和‘UruboCIAT’;以及巴拉圭的‘Caninde 1’和‘Itapua 75’[126]。另外,抗性比較穩(wěn)定的品種‘Milan’已經(jīng)在巴西、巴拉圭、玻利維亞等國家大面積栽培[75]。本團(tuán)隊在小麥抗病品種篩選、抗病育種等方面進(jìn)行了前期研究,篩選到‘中麥175’‘蘭考198’‘蘭考2號’‘蘭考906’‘川育23’‘川麥52’‘新麥26’‘蘭天15’‘蘭天21’‘百農(nóng)160’‘豫麥18’和‘Jagger’等10余份抗性較好的小麥品種(未發(fā)表數(shù)據(jù))。另外,利用2NS/2AS分子標(biāo)記WGGB156、WGGB159,篩選到14份小麥種質(zhì)資源送往孟加拉國麥瘟病病圃進(jìn)行抗病性鑒定[6]。利用200余份來自CIMMYT的小麥材料和100余份來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的小麥種質(zhì)資源進(jìn)行GWAS分析,進(jìn)一步挖掘新的抗麥瘟病材料和抗性關(guān)聯(lián)位點。

麥瘟病的快速蔓延,對田間檢測速度、便捷性等提出了更高要求。本團(tuán)隊與美國、巴西、孟加拉國科學(xué)家合作,在完成兩個麥瘟病菌菌株基因組測序及比較基因組學(xué)分析的基礎(chǔ)上,綜合重組酶聚合酶擴(kuò)增、Cas12a核酸酶以及側(cè)流免疫層析等技術(shù),開發(fā)出了不依賴實驗室笨重儀器設(shè)備、易于攜帶的田間麥瘟病菌實時檢測技術(shù)[9],初步解決了田間實時檢測麥瘟病菌的難題,此技術(shù)已提供給孟加拉國使用并獲得較好的檢測效果[6]。

麥瘟病菌屬于Triticum專化型,具有較高遺傳多樣性,寄主廣泛,存在交叉侵染,能發(fā)生寄主跳躍。印度西北邊界收集到的小麥樣品中鑒定到水稻稻瘟病菌[64],近期,國內(nèi)外多家單位研究發(fā)現(xiàn),水稻稻瘟病菌在實驗室條件下可侵染小麥葉片和麥穗[6-7]。我們進(jìn)一步用柯赫氏法則驗證了水稻稻瘟病菌在小麥上可以完成侵染循環(huán),并發(fā)現(xiàn)實驗室部分稻瘟病菌菌株能夠侵染一些小麥品種的葉片,造成典型的侵染癥狀(未發(fā)表數(shù)據(jù))。以上結(jié)果均表明,防控麥瘟病菌傳入的同時,也應(yīng)對潛在的水稻稻瘟病菌通過寄主跳躍侵染小麥提高警惕。

7 下一步研究計劃

我國暫未發(fā)現(xiàn)麥瘟病,但鑒于麥瘟病的高危性且近年已傳入亞洲、非洲并完成定殖,一旦擴(kuò)散至我國,將對我國小麥安全生產(chǎn)帶來威脅。我國將在以下方面開展進(jìn)一步研究:1)開發(fā)便捷的田間檢測技術(shù),對我國邊境地區(qū)如云南、廣西以及小麥主產(chǎn)區(qū)如湖北、安徽、河南等地進(jìn)行小麥病樣檢測,同時,基于檢測技術(shù)建立麥瘟病監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng),以便對可能傳入的麥瘟病第一時間做出反應(yīng),建議相關(guān)部門完善管理制度,將麥瘟病列入特別關(guān)注病害行列。2)加強(qiáng)國際合作,加快抗病種質(zhì)資源的篩選與創(chuàng)制,目前篩選到我國典型抗病品種有‘中麥175’‘蘭考198’等,其大部分包含有2NS/2AS片段,應(yīng)該在育種中加大對其使用力度。另外,發(fā)掘和合理利用非2NS/2AS片段新抗源。3)警惕稻麥間作、輪作地區(qū)潛在的稻瘟病菌寄主跳躍事件,加快對侵染水稻與侵染小麥的不同?；椭虏C(jī)制差異研究。4)借鑒水稻抗稻瘟病研究的成功經(jīng)驗。通過比對水稻廣譜抗稻瘟病基因、感病基因、稻瘟病菌無毒基因在小麥/麥瘟病菌的同源基因,為小麥抗麥瘟病提供新思路。麥瘟病生物防治方面研究較少,借鑒稻瘟病菌生物防治思路,研究芽胞桿菌Bacillus、哈茨木霉Trichodermaharzianum、球毛殼菌Chaetomiumglobosum對麥瘟病菌抑制效果,充分發(fā)掘生防菌備用。