何 玥, 郭 爽, 王 棟, 聶 蕾, 涂 亮,劉鵬飛, 郭向陽, 王安貴, 祝云芳, 吳 迅,3, 陳澤輝

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴陽 550025; 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所, 貴陽 550006;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部喀斯特山區(qū)作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室, 貴陽 550006)

玉米作為重要的糧食、飼料作物和工業(yè)原料之一,也是我國的第一大糧食作物,在保障國家糧食安全和社會穩(wěn)定中發(fā)揮著重要作用。玉米穗腐病是我國各個玉米產(chǎn)區(qū)普遍發(fā)生且危害嚴(yán)重的一種真菌性病害,一般品種發(fā)病率為 5%～7%,感病品種發(fā)病率達(dá)50%左右[1]。不僅造成嚴(yán)重減產(chǎn)和降質(zhì),還會產(chǎn)生真菌毒素,嚴(yán)重威脅人畜健康[2-5]。玉米穗腐病的病原菌種類繁多,主要有兩大優(yōu)勢致病菌,分別是擬輪枝鐮孢菌和禾谷鐮孢菌。在我國西南地區(qū),禾谷鐮孢復(fù)合種(FGSCFusariumgraminearumspecies complex)是主要的優(yōu)勢菌株之一[6]?；诓煌慕臃N方法,國內(nèi)外相繼鑒定出一些抗禾谷鐮孢穗腐病的玉米種質(zhì)材料。Schaafsma等[7]利用花絲通道注射法和針刺果穗注射法鑒定出2個品種對禾谷鐮孢穗腐病表現(xiàn)高抗。Reid等[8]采用花絲通道注射法鑒定出對禾谷鐮孢菌表現(xiàn)抗性的自交系CO272、CO325與雜交種Pride K127。文成敬等[9]通過針刺果穗注射法鑒定出5份材料表現(xiàn)出中等以上抗性。劉素玲等[10]鑒定出自交系自330和BT-1對禾谷鐮孢菌表現(xiàn)高抗。徐婧等[11]同時對兩種優(yōu)勢病原菌進(jìn)行抗性鑒定,鑒定出兼具抗性的12份玉米種質(zhì)資源。楊俊偉等[12]對玉米新品種進(jìn)行禾谷鐮孢穗腐病的抗性鑒定,篩選出中抗及以上品種數(shù)占鑒定品種總數(shù)的91.56%,且高抗品種占比在年際間變化幅度較大。段燦星等[13]經(jīng)過多年多點的鑒定,篩選出17份對禾谷鐮孢菌穗腐病表現(xiàn)出穩(wěn)定抗性的種質(zhì),如MC7528,H446,Y1632等。綜上所述,前人鑒定出的抗穗腐病種質(zhì)材料大多數(shù)集中在玉米自交系或雜交種,而對我國玉米地方種質(zhì)的穗腐病抗性鑒定與評價較少。我國玉米種質(zhì)資源保藏量十分豐富,尤其是西南地區(qū)的玉米種質(zhì)資源保藏量和利用潛力大[14],但絕大部分種質(zhì)尚未進(jìn)行精準(zhǔn)地抗穗腐病鑒定,而且各種環(huán)境因素對穗腐病的發(fā)病影響較大,導(dǎo)致玉米穗腐病的防治較為困難。不斷深入認(rèn)識玉米種質(zhì)資源對穗腐病的抗感差異,是選育抗性種質(zhì)資源的基礎(chǔ)。本研究采用人工田間接種的方式,對我國西南區(qū)998份玉米地方種質(zhì)資源進(jìn)行禾谷鐮孢菌穗腐病抗性評價。以期為深入認(rèn)識中國玉米地方種質(zhì)資源穗腐病抗性提供參考,也為穗腐病抗性遺傳學(xué)的研究和抗性種質(zhì)資源的選育提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

依托國家種質(zhì)資源庫搜集到的玉米地方種質(zhì)資源共998份,其中普通地方種材料500份,糯玉米地方種材料498份。本研究使用的禾谷鐮刀菌由貴州省農(nóng)科院植保所提供,分離自貴州省采集的玉米穗腐病樣本。

1.2 田間試驗設(shè)計

所有材料于2022年3月種植在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大方縣試驗基地。行長3 m,每個材料種植2行,2次重復(fù)。以X178為抗病對照,B73為感病對照。每間隔98份材料種植一組對照。田間管理按照當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)管理進(jìn)行。

1.3 禾谷鐮孢菌的培養(yǎng)與接種

1.3.1菌種培養(yǎng)與孢子懸浮液制備

在PDA培養(yǎng)基上接種禾谷鐮孢菌,放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱,培養(yǎng)6～7 d。待PDA平板長滿菌絲,將其切成小塊,轉(zhuǎn)接至滅菌的綠豆培養(yǎng)基中,放入25 ℃恒溫?fù)u床,設(shè)置轉(zhuǎn)速為220 r/min,并保持暗光培養(yǎng)7 d左右。最后利用滅菌雙層紗布進(jìn)行過濾,去除菌絲和雜質(zhì),用無菌水配成濃度為2×106個/mL的孢子懸浮液。

1.3.2田間接種方法

根據(jù)材料的生育期,玉米吐絲10 d后,參照張小飛等[15]描述的針刺果穗注射法接種,每穗 2 mL孢子懸浮液,接種后噴漆標(biāo)注。

1.4 抗病性調(diào)查與評價

在玉米收獲期進(jìn)行發(fā)病級別調(diào)查。按照抗性評價標(biāo)準(zhǔn)(表1),每份材料需選取接種后無雜菌侵染的6個果穗,進(jìn)行病情級別評價。根據(jù)性狀調(diào)查和評價結(jié)果,利用Microsoft Excel2010軟件進(jìn)行分析處理,計算平均病情級別和病情指數(shù)。

表1 玉米鐮孢穗腐病抗性評價標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1平均病情級別計算公式[13,16]

式中,ERS表示病情級別;i=1,為第1個單株,n為最后第n個單株。

1.4.2病情指數(shù)計算公式

根據(jù)病情級別計算每份材料的病情指數(shù),參照張帆等[17]病情指數(shù)計算公式如下:

病情指數(shù)/%=

1.5 病情指數(shù)的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)計算

1.5.1病情指數(shù)的等級劃分

表2 病情指數(shù)的等級劃分

1.5.2分布頻率

分布頻率計算公式:

式中,ni表示病情指數(shù)處于第i級的材料個數(shù),n表示材料總數(shù)。

1.5.3Shannon-Weaver多樣性指數(shù)

參照Poole等[20]的公式計算Shannon-Weaver多樣性指數(shù):

2 結(jié)果與分析

2.1 地方種質(zhì)資源穗腐病抗性鑒定

依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1248.8-2016《玉米抗病蟲性鑒定技術(shù)規(guī)范》的第8部分,對998份玉米種質(zhì)資源進(jìn)行了禾谷鐮孢菌穗腐病抗性鑒定評價,結(jié)果顯示,感病對照自交系B73的平均病情級別為7.49,大于5.6,表明此次鑒定結(jié)果有效。

對禾谷鐮孢菌的抗感數(shù)量和比例均呈正態(tài)分布趨勢,其中高抗和抗的材料較少,中抗和感的材料較多,其次為高感材料數(shù)量(表3)?？梢钥闯?籽粒發(fā)病輕,平均病情級別≤1.5,表現(xiàn)高抗的材料僅有3份,分別是鐵心早,紅爆花,烏炸包谷。表現(xiàn)抗病的材料有99份,平均病情級別介于1.6～3.5之間,占全部材料的9.92%;平均病情級別介于3.6～5.5之間的有348份為中抗材料,占全部材料的34.87%;而感病材料有368份,平均病情級別介于5.6～7.5之間,所占比例最高;表現(xiàn)高感的材料有180份,占比僅次于感病材料和中抗材料。鑒定結(jié)果說明地方種質(zhì)資源中蘊藏了大量的抗性資源,中抗及以上的材料有450份,占了全部材料的45.09%,但高抗的材料比較缺乏。

表3 抗性鑒定結(jié)果分布

根據(jù)材料的類型來看,普通玉米地方種和糯玉米地方種表現(xiàn)出抗性的材料數(shù)量相差不大,兩者的感病材料數(shù)量一致(表4);但糯玉米地方種沒有表現(xiàn)高抗的材料,并且表現(xiàn)高感的材料多于普通玉米地方種質(zhì),說明糯玉米整體抗性較差。部分材料抗性鑒定結(jié)果見表5。

表4 不同類型材料抗級數(shù)量

表5 抗性鑒定結(jié)果(部分材料)

2.2 病情指數(shù)的多樣性分析

由圖1可以看出,玉米地方種質(zhì)資源在劃分出的病情指數(shù)等級上除了10級,均有分布。其中5級的材料數(shù)量最多,達(dá)201份,7級次之。1級的材料數(shù)量最少,只有16份。說明玉米地方種質(zhì)抗感類型豐富,可利用的種質(zhì)材料多,因此,從玉米地方種質(zhì)資源進(jìn)行抗源篩選可能更容易獲得有用的抗源材料。

圖1 病情指數(shù)等級劃分?jǐn)?shù)量

通過計算,玉米地方種質(zhì)病情指數(shù)的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)為2.05,表明其對禾谷鐮孢穗腐病的病情指數(shù)的多樣性水平較高。從圖2來看,在1～9個等級上均有分布,但主要還是集中在第4～7級上,占總數(shù)的66.43%。表現(xiàn)出一定的集中性,呈現(xiàn)為一種近似的正態(tài)分布。表明地方種質(zhì)資源對禾谷鐮孢穗腐病的發(fā)病情況較為集中,病情指數(shù)集中在中等范圍內(nèi)。

圖2 玉米地方種質(zhì)資源病情指數(shù)頻率分布

3 討 論

玉米穗腐病致病菌種類繁多,廣泛分布在我國不同的玉米產(chǎn)區(qū),其優(yōu)勢致病菌為禾谷鐮孢復(fù)合種和擬輪枝鐮孢菌。通過分子鑒定和比較基因序列的差異,又把禾谷鐮孢菌復(fù)合種分成了16個種[21]。我國報道的至少有4個種,在南北方玉米主產(chǎn)區(qū)均有分布的主要是禾谷鐮孢菌,布氏鐮孢菌主要分布在北方地區(qū),而南方鐮孢菌(F.meridionale)分布在高溫高濕的西南區(qū)域[22],亞洲鐮孢菌(F.asiaticum)在西南地區(qū)也是穗腐病致病種之一[23],可以看出禾谷鐮孢穗腐病的病原菌分布具有一定的地域特征,并且前人研究表明,不同致病菌引起的穗腐病抗性不存在相關(guān)性[24],因此要針對不同的病原菌分別展開抗性鑒定和抗源篩選,而前人大多數(shù)的研究都是針對擬輪枝鐮孢病原菌進(jìn)行抗性鑒定和篩選,關(guān)于禾谷鐮孢穗腐病的抗性鑒定較少,導(dǎo)致抗源稀缺。本研究利用禾谷鐮孢菌作為致病菌,進(jìn)行西南區(qū)玉米地方種質(zhì)資源的抗性鑒定和篩選,增加了抗禾谷鐮孢穗腐病的抗性種質(zhì)數(shù)量。玉米穗腐病的發(fā)生不僅受多種病原菌復(fù)合侵染,還受生長條件、氣候變化等諸多環(huán)境因素的影響,在較寒冷、高降雨量的玉米種植區(qū)禾谷鐮孢更占優(yōu)勢[25],我國西南地區(qū)是玉米禾谷鐮孢穗腐病的高發(fā)區(qū),目前在玉米禾谷鐮孢穗腐病抗病資源鑒定以及抗性基因挖掘方面都取得了一定進(jìn)展,但仍落后于實際的生產(chǎn)應(yīng)用,因此選育抗穗腐病玉米種質(zhì)資源對西南玉米產(chǎn)區(qū)具有極其重要的意義。

玉米地方種質(zhì)資源具有豐富的適應(yīng)性和抗逆性變異基因,姚啟倫等[26]采用不完全雙列雜交試驗對10份三峽庫區(qū)玉米地方種質(zhì)資源進(jìn)行抗病性分析,結(jié)果表明地方種質(zhì)資源較骨干自交系具有明顯的抗病特性。在長期的自然和人工選擇下,西南山地玉米區(qū)以其特殊的地理特征和氣候條件,形成了具有特定適應(yīng)性的玉米地方品種,這些品種中蘊含著復(fù)雜多樣的基因資源[27]。本研究針對西南區(qū)玉米地方種質(zhì)的抗穗腐病進(jìn)行了客觀評價,篩選出3份高抗穗腐病種質(zhì)資源,這些抗病材料的鑒定與篩選,豐富了我國玉米抗穗粒腐病種質(zhì)資源,將為抗病育種和理論研究提供一定的支撐。

4 結(jié) 論

本研究對西南區(qū)玉米地方種質(zhì)的穗腐病抗性進(jìn)行了人工接種鑒定與評價,篩選出3份表現(xiàn)高抗玉米穗腐病的地方種質(zhì),此外,有99份表現(xiàn)為抗玉米穗腐病,中抗玉米穗腐病的材料有348份,中抗及以上的材料占供試自交系的45.09%。從供試材料的類型來看,普通玉米地方種對禾谷鐮孢穗腐病的抗性表現(xiàn)較強,在糯玉米地方種中,也鑒定出一些抗和中抗的種質(zhì),可應(yīng)用于感病材料的穗粒腐病抗性改良。本研究以西南區(qū)玉米地方種質(zhì)感禾谷鐮孢穗腐病的病情指數(shù),進(jìn)行多樣性分析,結(jié)果表明,西南區(qū)玉米地方種質(zhì)的病情指數(shù)的計算值和 Shannon-Weaver多樣性指數(shù)較高,說明我國玉米地方種質(zhì)資源中,抗感禾谷鐮孢穗腐病的材料豐富,且玉米穗腐病抗源數(shù)量較多,在選育抗性材料時可考慮應(yīng)用地方種質(zhì)抗源。