鄭鄖，姜軍*，王鵬，張坤，伍維蘭，安紅柳，章松柏

1.長江大學農(nóng)學院，湖北 荊州 434025 2.湖北省農(nóng)林病蟲害預警與調控工程技術研究中心 (長江大學)，湖北 荊州 434025

高粱是一種遍布世界各地的重要糧食作物。除小麥、水稻、玉米和大麥之外，它是世界上種植面積第五大的谷類作物，在105個國家有4 000萬公頃的種植面積，其中60%分布在非洲，是南非和亞洲國家超過5億人的重要主食作物。在過去十年中，隨著特殊改良品種的產(chǎn)量增加，在烏干達干旱地區(qū)，高粱成為僅次于玉米的第二大谷物。在發(fā)達國家，高粱主要作為飼料作物進行耕種[1]。在中國，南北各省區(qū)高粱均有大量栽培。在高粱種植產(chǎn)地，均易產(chǎn)生高粱大斑病，它是一種重要的真菌病害。筆者對高粱大斑病的危害、致病菌的生理學特性、癥狀與傳播、防治對策以及相關的高粱大斑病菌真菌病毒進行了綜述，以期為今后更深入研究其防治提供參考。

1 高粱大斑病的危害

為了滿足2050年的全球糧食需求，確保糧食安全穩(wěn)定，有必要擴大高粱、小麥、水稻、玉米和甘蔗等糧食作物的生產(chǎn)規(guī)模。生物脅迫，尤其是真菌病害成為阻礙之一。高粱大斑病是高粱產(chǎn)區(qū)常見葉部真菌病害，導致高粱產(chǎn)量的巨大損失。調查結果表明，在高粱作為最重要的糧食來源的蘇丹，選取45片高梁種植區(qū)進行觀察，高粱大斑病發(fā)病率為65%～100%，嚴重程度為45%～85%。而高粱大斑病害嚴重程度每增加10%，產(chǎn)量就會下降2%～8%[2]。如果感染發(fā)生在圓錐花序萌發(fā)之前，可能導致糧食減產(chǎn)高達50%。在濕度高、溫度適中的地方，高粱大斑病的危害最大[3]。在我國高粱產(chǎn)區(qū)，大斑病通常是多雨季節(jié)高粱病害的主要原因。

2 高粱大斑病菌的生物學特性

高粱大斑病是由高粱大斑病菌所引起的真菌性病害。病原菌的有性態(tài)為大斑剛毛座腔菌(Setosphaeriaturcica(Luttr.)Leonard &Suggs)，屬子囊菌門真菌；自然條件下一般不產(chǎn)生有性世代。子囊孢子成熟后紡綞形，大小約60 μm×15 μm，呈褐色，多為3個隔膜，隔膜處有皺縮。病原菌的無性態(tài)為大斑凸臍蠕孢菌(Exserohilumturcicum(Pass.)LeonardetSuggs)，異名HelminthosporiumturcicumPass.；分生孢子梭形，呈褐色，有2～7個隔膜，大小約80 μm×20 μm，臍點明顯，突出于基細胞外部(見圖1)[4]。

圖1 光學顯微鏡下高粱大斑病菌分生孢子形態(tài)Fig.1 Spore morphology of Setosphaeria turcicaat high magnification

大斑凸臍蠕孢菌存在顯著的生理?；F(xiàn)象，根據(jù)其在寄主植物上的致病力差異，可以劃分為高粱專化型和玉米?；汀＜锤吡淮蟀卟【c玉米大斑病病菌是同一個種的2個不同生理?；蚚5]，高粱?；涂汕秩靖吡?、蘇丹草和約翰遜草，玉米專化型侵染玉米。遺傳學研究表明，大斑真菌在墨西哥與玉米共同進化，后來出現(xiàn)到高粱上。高粱?；偷膯我换蜃鶠閟orA+，玉米?；偷膯我换蜃鶠閦eaA+[6]。一項對南非的大斑病菌種群的研究發(fā)現(xiàn)，高粱與玉米兩種?；头蛛x物之間存在遺傳分離，表現(xiàn)為缺乏共同的多焦點單倍型和高比例的私有等位基因[7]。同時感染玉米和高粱的異質體在自然界被發(fā)現(xiàn)，但極其罕見[8]。我國高粱、玉米產(chǎn)區(qū)均存在高粱專化型和玉米?；停叽嬖趪栏竦闹虏×Σ町惡瓦z傳多樣性[9]。

大斑凸臍蠕孢菌作為同一種病原體可以感染2種重要糧食作物并造成嚴重影響，因此成為研究植物-病原進化和研究2種植物間共有抗性機制的理想病原系統(tǒng)。2021年，LIU等[10]觀察了3種滲透條件(在馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基中添加 0.4 mol/L氯化鈉、0.4 mol/L氯化鉀和0.6 mol/L 山梨醇)下，滲透脅迫對大斑凸臍蠕孢菌生長、發(fā)育和致病性的影響。在滲透脅迫下，菌絲的生長速度降低，泡狀結構和絮狀物的數(shù)量減少，菌絲細胞壁外的泡狀結構和絮狀分泌物的數(shù)量顯著增加。實時熒光定量PCR 結果顯示，滲透脅迫迅速激活了激活了 HOG-MAPK 通路，上調了下游基因的表達。而且這些基因在暴露于滲透脅迫后30 min內(nèi)表達量最高[10]。此外，在滲透脅迫下，分生孢子的萌發(fā)率和產(chǎn)量明顯高于對照組。致病性分析證實，在滲透脅迫下培養(yǎng)的分生孢子的致病性明顯增強。通過分析滲透脅迫響應基因StFPS11，即HOG-MAPK 通路下游的一種水甘油蛋白的敲除突變體，發(fā)現(xiàn)StFPS1參與了附著和穿透，從而影響了大斑凸臍蠕孢菌的穿透能力[10]。

3 高粱大斑病的癥狀與傳播

高粱為禾本科一年生草本植物，直立，莖粗壯，有凹槽，長度為0.8～5 m。典型的葉片有一個明顯的中脈，葉鞘包裹著莖。高粱喜溫、喜光，并有一定的耐高溫特性，全生育期適宜溫度20～30 ℃。它的根系是玉米的兩倍，并具有C4光合作用途徑[11]。

高粱各生長階段均可被高粱大斑病菌侵染。苗期即可發(fā)病。一般葉片上首先出現(xiàn)淡紅色或黃褐色的水漬狀小點，進展為小病斑，病斑擴大后匯合，沿葉脈呈現(xiàn)出長梭形或者長橢圓形，淡褐色至褐色，邊緣有時呈現(xiàn)出紫紅色，并可見不規(guī)則的輪紋。根據(jù)寄主基因的不同，病變的邊界顏色也不盡相同。如遇潮濕多雨天氣，病斑兩面生成病原菌的分生孢子梗和分生孢子，呈現(xiàn)為黑色的霉狀物覆蓋。病斑一般從植株下部葉片逐漸向上擴展，在嚴重感染的情況下，也會感染葉鞘，葉片完全枯萎。當葉子受損到無法有效進行光合作用的程度時，高粱就會利用根部和莖部等區(qū)域儲存的葡萄糖來補充，根部和莖部從而更容易受到感染，導致根部腐爛[12]。

高粱大斑病菌可以菌絲體、分生孢子或厚垣孢子等方式在土壤或高粱病殘體上存活。帶菌的植物殘體是比分生孢子更為重要的侵染源。翌年孢子萌發(fā)進行初侵染和再侵染，使病菌不斷擴散，炎熱多雨季節(jié)可造成較重危害[13]。另有研究證實，作為一種雜食性甲蟲，Notoxustrinotatus取食植物真菌病原體，可導致玉米大斑病的傳播，攜帶病原體的甲蟲數(shù)量的增多可能會增加玉米大斑病病害的侵染率[14]。高粱大斑病是否也有此傳播途徑，還有待進一步研究。

4 高粱大斑病的防治對策

4.1 選擇抗大斑病的高粱品種

寄主抗性是控制疾病的最有效、最經(jīng)濟、最環(huán)保的方法。雖然寄主抗性在玉米中研究較廣，2000年，已確定了幾個對玉米大斑病有效的主要基因Ht1、Ht2、Ht3、HtN和ht4[15]。對玉米的定量抗性也進行了深入研究，其中涉及多個基因，包括pan1、ZmREM6.3[16]。但有關高粱的抗性報道非常有限。通過研究高粱大斑菌的分布，可幫助種植者選擇具有所需抗性基因的適當?shù)碾s交品種，并幫助種子公司在特定區(qū)域內(nèi)的雜交品種中布署抗性基因[17]。

2011年，有研究對易感性和抗性高粱和玉米基因型進行了cDNA-AFLP分析，以確定與抗性相關序列。在玉米真菌感染后上調的轉錄本中發(fā)現(xiàn)了一個 CC-NB-LRR編碼基因GRMZM2G005347。這個新的植物抗性基因被命名為St。基因組序列比對顯示，編碼St基因的 CC-NB-LRR位于玉米的2號染色體上，而編碼St基因的CC-NB-LRR則位于玉米和高粱的第5號染色體上。高粱的6個St基因有3對位于一個基因座上。當通過病毒誘導基因沉默(VIGS)沉默高粱的St基因時，抗性明顯減弱，實時PCR也證實了這一觀察結果[18]。

2020年，ZHANG等[19]首次利用全基因組關聯(lián)研究(GWAS)，進行了高粱與大斑凸臍蠕孢菌相關抗性基因的鑒定，通過在3種環(huán)境中評估的高粱改良體系，共鑒定出 216 個重要指標，檢測出 113 個獨特的候選基因，其中一些基因在植物防御中具有已知的良性作用。并發(fā)現(xiàn)了高粱與玉米具有重合的與大斑凸臍蠕孢菌抗性相關的基因片段。在高粱中還發(fā)現(xiàn)了幾個很有希望的抗高粱大斑病候選基因，包括與R基因介導的抗性有關的基因。這一發(fā)現(xiàn)對減少這一重要病原體造成的損失至關重要。

4.2 化學藥劑防治

在發(fā)病早期或抽穗期噴施農(nóng)藥，并在噴藥期間增加植株的透光和通風。2012—2013年，有研究在自然和人工感染大斑凸臍蠕孢菌的情況下，評估了殺真菌劑對拉脫維亞地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響。在所有的試驗中都觀察到殺真菌劑對控制大斑凸臍蠕孢菌的良好效果。125 g/L氟吡菌酰胺、125 g/L丙硫菌唑、75 g/L環(huán)氧環(huán)唑，75 g/L吡唑醚菌酯處理各組之間沒有發(fā)現(xiàn)藥效的明顯差異，對大斑凸臍蠕孢菌引起的高粱大斑病是否亦有效果尚待研究[20]。從紫桿豆中純化的與防御素序列同源的5 443 Da肽，對大斑凸臍蠕孢菌的菌絲生長也有抑制作用，該研究提供了使用紫桿豆防御素來生產(chǎn)抗真菌藥物和/或具有抗真菌性的轉基因植物的可能[21]。

4.3 加強田間管理

選擇適當?shù)臅r機秋翻，盡早識別和發(fā)現(xiàn)高粱大斑病的發(fā)生，把病殘株漚肥或者徹底燒毀，減少菌源殘留。實行輪作，減少土壤中大斑病菌數(shù)量。

4.4 生物防治

栽培栽培抗病品種主要存在生理小種眾多而致病性極易變異，田間連續(xù)種植單一抗病品種易發(fā)生抗性喪失，抗性基因較難挖掘等問題，化學防治則涉及到環(huán)境污染和食品安全。近年來，生物防治迅猛發(fā)展，有著高效、安全等優(yōu)勢，可以作為真菌病害防控研究和實踐的重要發(fā)展方向。與其他生物防治方法相比，低毒真菌病毒在生物防治上具有潛在的優(yōu)勢。某些低毒真菌病毒能快速侵染真菌菌落的生長區(qū)域進行大量復制，從而抑制病變的擴展。第一次應用到生物防治的真菌病毒是Cryphonectriahypovirus1(CHV1)[22]。20世紀 90 年代，歐洲開始大規(guī)模地利用生物防治板栗疫病，并且獲得了顯著成效。另一個得到實際應用的低毒病毒是華中農(nóng)業(yè)大學姜道宏教授課題組從油菜菌核病的病原菌核盤菌中發(fā)現(xiàn)的首單鏈環(huán)狀DNA 病毒(Sclerotiniasclerotiorumhypovirulence associated DNA virus 1)SsHADV-1。在田間條件下，SsHADV-1可以降低病害的嚴重程度，并顯著提高油菜籽產(chǎn)量。病毒顆粒在植物的葉片上非常穩(wěn)定，因為分別在接種后15 d和接種后10 d在受傷的葉片上可以檢測到病毒DNA。但是病毒不能感染植物細胞[23]。另外，真菌病毒混合侵染減弱寄主致病性的現(xiàn)象也有報道，例如MOCHAMA 等[24]發(fā)現(xiàn)核盤菌DK3菌株的dicer1/2雙敲除突變株生長較慢，而hypovirus-related virusSclerotiniasclerotiorumhypovirus 2-Lactuca (SsHV2-L)、SsHADV-1共同侵染突變株后出現(xiàn)其生長更為緩慢、色素沉著減少和菌核形成延遲等表型變化。利用低毒病毒對植物真菌病害進行生物防治被認為是極具潛力的防治策略。高粱大斑病的生物防治尚未見報道。

5 高粱大斑病菌的真菌病毒

作為大斑凸臍孺孢菌的不同專化型，玉米大斑病菌中有5個病毒被鑒定：包括1個低毒病毒(Setosphaeriaturcicahypovirus 1，StHV1)、1個未分類病毒(Setosphaeriaturcicaambiguivirus 1，StAV1)、1個線粒體病毒(Setosphaeriaturcicamitovirus 1，StMV1)[25]、1個鐮刀菌病毒(Setosphaeriaturcicafusarivirus 1，StFV1)[26]和1個多分體病毒(Setosphaeriaturcicapolymycovirus 1，StPmV1)[27]。

2022年，在高粱大斑病菌中首次報道了一種新的雙鏈RNA(dsRNA)病毒，其基因組由4個片段組成(dsRNA1-4)。每個dsRNA攜帶單一的開放閱讀框(ORF)，兩側是含有嚴格保守的末端的5′和3′非編碼區(qū)(UTRs)。dsRNA1編碼的蛋白與Alternariaalternatachrysovirus 1 (AaCV1)的RdRP具有高達80.50%的同源性，屬于產(chǎn)黃青霉病毒科(Chrysoviridae)。 dsRNA2編碼外殼蛋白，而dsRNA3和dsRNA4分別編碼功能未知的蛋白。基于RdRP蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，該病毒與產(chǎn)黃青霉病毒科β產(chǎn)黃青霉病毒屬(Betachrysovirus)的成員形成一個單系進化枝。綜合dsRNA特征、氨基酸序列比較和系統(tǒng)發(fā)育分析，該真菌病毒被認為是產(chǎn)黃青霉病毒科的一個新成員，并被命名為Setosphaeriaturcicachrysovirus 1(StCV1)。此外，在StCV1感染和病毒脫毒的高粱大斑病菌株之間，觀察到菌落、菌絲和孢子形態(tài)的明顯差異。病毒脫毒菌株SNJ38-1的菌落形態(tài)形成規(guī)則的圓形，菌絲密度明顯高于病毒感染菌株SNJ38的菌落。相比之下，病毒感染菌株SNJ38的菌落呈現(xiàn)出不規(guī)則的構造。顯示出異常的菌絲和孢子形態(tài)，其菌絲多纏繞，扭曲。孢子無典型的梭狀，隔膜分布不均勻(見圖2(a)、2(b)、2(c))。StCV1感染也顯著降低了菌落生長速度、孢子產(chǎn)生能力(見圖2(d)、2(e))和對寄主真菌的毒力(見圖3)[28]。隨后，研究報道StPmV2是屬于多分體病毒科多分體病毒屬的一種新的真菌病毒。此外，還鑒定了另外3個高度同源的Setosphaeriaturcicapolymycovirus2(StPmV2)分離株。這4個分離株2個從玉米大斑真菌中分離，2個從高粱大斑真菌中分離。這是第一次發(fā)現(xiàn)多分體病毒同時侵染玉米大斑真菌和高粱大斑真菌，且在寄主體內(nèi)的變異很少，序列高度保守[29]。

注：菌株SNJ38為StCV1侵染菌株；菌株SNJ38-1為脫毒菌株。PDA為馬鈴薯葡糖糖瓊脂培養(yǎng)基。圖(d)(e)中不同字母表示差異顯著(P<0.05，n=6)。圖2 高粱大斑病菌感染真菌病毒菌株與脫毒菌株的生物特性Fig.2 Biological properties of the infected and isogenic virus-cured S.turcica f.sp.sorghi strains

注：圖(b)中不同字母表示差異顯著(P<0.05，n=6)。圖3 接種水和菌種(1×104個/mL孢子懸浮液)7 d后高粱葉片上的病斑圖片和病斑形成個數(shù)比較Fig.3 Disease spot representative images and histogram of the frequency of flecks formation on sorghum leaf inoculated with water and strains (1×104 conidia·mL-1 spore suspension)at 7 days

檢測高粱大斑病原群體中真菌病毒的多樣性，分析群體的帶毒率及常見真菌病毒的生物學特性；測定2種?；腿后w中均存在的真菌病毒，探究能否相互侵染以及侵染的方式；篩選弱毒真菌病毒資源，觀察其對寄主的致病力的影響等，都是探究真菌病毒系統(tǒng)演化和生物特性，為高粱大斑病的生物防治提供病毒源材料的有效途徑。

6 展望

生物脅迫如真菌感染、病蟲害等是影響植物生長發(fā)育，限制作物產(chǎn)量和質量的重要原因。致病原與寄主之間的互作機制的研究可為農(nóng)作物病害防治提供科學依據(jù)。在高粱大斑病菌與高粱的互作系統(tǒng)里，針對高粱對高粱大斑病菌抗性基因的篩選，在高粱大斑病菌與高梁大斑病菌真菌病毒的互作系統(tǒng)里，針對低毒力高粱大斑真菌病毒的發(fā)現(xiàn)，都是植物學家們在生物科技技術迅猛發(fā)展的加持下，在浩如煙海的基因庫與病毒庫里，通過堅持不懈的基礎研究為高粱大斑病的防治提供新思路。