水稻稻曲病的研究進展

鄒克琴，胡東維，王為民，徐曉暉

(1.中國計量學院 生命科學院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學 生物技術研究所水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 310029)

水稻稻曲病 (rice false smut)是由稻曲病菌［Ustilaginoidea virens(Cooke)Tak］引起的水稻真菌病害。據調查發現，稻曲病主要發生于亞洲稻區，如中國、印度、緬甸等東南亞國家。在歐洲、美洲和非洲等地區也均有發生［1-2］。稻曲病在歷史上對水稻的危害損失并不嚴重，僅僅作為水稻生產的次要病害。但是近年來，隨著全球氣候變化和我國高產優質雜交稻大面積推廣以及水稻水肥水平的提高，稻曲病在日本和我國的湖南、江西、遼寧、云南、黑龍江等多個省份發生并危害逐年加重。稻曲病已從次要病害上升為主要病害［3］。水稻發生稻曲病后，不僅造成大量癟粒病粒，降低稻谷產量及質量，而且病粒含有毒素，這種毒素能引起人畜慢性中毒，極大的影響了糧食高產穩產和糧食食品安全。水稻稻曲病的防治和抗病研究逐漸成為目前關注和亟待研究解決的問題。本文將國內外水稻稻曲病研究的概況進行綜述，為科學研究人員提供參考。

1 稻曲病原菌的生物學特性

1896年，Cooke等［4］首先從印度獲得稻曲病病原菌標本，并命名為 Ustilago virens。1895年，Bregend根據病原菌的分生孢子特征，提出建立Ustilaginoidea屬，并把稻曲病菌名稱改為Ustilaginoidea virens。稻曲病病原菌屬子囊目麥角科擬黑粉屬。也有研究人員認為其屬于子囊菌綱麥角菌目麥角菌科的綠核菌屬。稻曲病原菌在病穗上一般形成黃色或墨綠色的稻曲球，在稻谷病粒上可形成黑色菌核，呈紡錘形、馬蹄形等多種形狀。稻曲病菌無性態主要有厚垣孢子、分生孢子。厚垣孢子黃色或黑褐色，圓形或稍橢圓形，表面有許多疣狀突起。分生孢子為薄壁孢子，呈卵圓形或長圓形，單胞無色透明，外表光滑［5-6］。稻曲病菌有性階段主要是菌核萌發形成子座、子囊和子囊孢子。王疏等［7］發現了一個稻曲病菌白化菌株，對白化菌株的生物學特性、酯酶同功酶和RAPD譜帶進行研究，發現與稻曲病菌在蛋白質系統、DNA序列及堿基排列順序上均存在明顯差異。認定它是不同于稻曲病菌的一個新種 U．albicans。

1895年，Brefeld在人工培養基上分離得到了病原菌。1975年，Sharma在酵母培養基上從新鮮菌核上分離到了分生孢子。目前，稻曲病菌的分離方法主要有組織塊分離法、菌核分離法、稻曲球分離法、厚垣孢子懸浮液法等。稻曲病菌菌絲生長速度與環境條件和培養基類型有關。稻曲病菌分生孢子萌發的適溫為22～31℃，其中28℃最好，最適pH值為6.0～7.0。50℃為致死溫度［8］。PSA培養基最適于孢子萌發，稻曲病菌生長的最佳碳源為蔗糖，最適蔗糖濃度為2% ～3%，葡萄糖強烈抑制孢子萌發，馬鈴薯煮汁既可抵消葡萄糖的抑制作用，又可刺激孢子萌發［9］。紫外線和太陽光照射對厚垣孢子的發芽有一定的抑制作用，黑暗條件利于稻曲病菌的生長。稻曲病菌黃色厚垣孢子培養20 h萌發率可達90%以上，而黑色厚垣孢子不萌發;黃色厚垣孢子萌發的最適溫度為25～30℃，最適 pH 值為 5.0 ～8.0［10］。

2 稻曲菌毒素

水稻稻曲病不僅影響水稻的產量和品質，而且對稻米的食用安全以及稻田環境的生物安全帶來了隱患。我國植病學家朱鳳美在50年代便指出稻曲病菌含有有毒色素。目前，研究人員已從稻曲球中分離到UstiloxinsA-UstiloxinsE 6種毒素，用稻曲病粒喂養兔、雞、老鼠等動物，可導致動物肝、腎臟等內部器官病變［11］。日本學者［12］研究發現稻曲病菌毒素Ustiloxins是類抗真核細胞有絲分裂的環形肽。陳美軍等［13］進行了稻曲毒素活性檢測和細胞定位的研究，發現該毒素具有熱穩定性，100℃加熱30 min，毒性不被破壞。稻曲毒素的活性機制主要是抑制動植物細胞的有絲分裂。稻曲病菌產生的有毒物質在高濃度時可抑制稻種萌發和胚芽生長。通過測定水稻花藥愈傷組織在粗毒素脅迫下的生長量，其結果與田間抗性表現相關性較大［14］。

3 稻曲病的發病機制

國內外許多研究人員對稻曲病菌侵染水稻的發病機制進行了研究。稻曲病菌不但侵染水稻，還可以侵染玉米和田間一些雜草如馬唐屬 (Digitaria marginata)和水社黍以及野生稻［15］。稻曲病病原菌的菌絲體、厚垣孢子、菌核、稻曲球均可以越冬。一般認為，稻曲病菌在溫度26～28℃、空氣相對濕度88%以上，在水稻孕穗期、始穗期和揚花期極有利于稻曲病侵染發病。Ikegami等［16］用稻曲病菌厚垣孢子在水稻孕穗期接種引起水稻發病。王國良等［17］在孕穗期和始穗期分別用注射和噴霧人工接種病曲菌懸浮液，均可使水稻發病。張君成等［18］分別用稻曲病菌的分生孢子和厚垣孢子接種水稻，研究表明，不論是田間還是室內，分生孢子接種發病率均高于厚垣孢子，同一接菌體注射接種法發病率高于噴霧接種，尤以孕穗期分生孢子注射接種處理發病率最高。

關于稻曲病菌的侵染機制，目前有2種不同觀點，即花期穗部侵染和苗期系統性侵染。花期穗部侵染的主要證據，是孕穗后期人工接種可大幅度提高病穗率［19］。也有研究人員［20］認為，稻曲病菌的侵染可能是苗期系統性侵染。在水稻萌發期病原菌孢子可大量成功侵染胚根和胚芽鞘，稻曲病菌的侵染方式屬于角質層下侵染，病原菌不能直接侵入水稻細胞，只能在水稻組織的細胞間隙中擴展。

4 稻曲菌的分子生物學

在水稻抗稻曲病的研究過程中，國內外學者從抗病水稻品種特性、稻曲菌的致病分子機理和遺傳多樣性方面進行了初步研究。不同水稻品種對稻曲病抗性反應差異顯著，水稻內部的組織化學結構差異可能是抗性差異原因之一。代光輝等［21］研究表明，抗稻曲病水稻品種的穎殼中含有大量的木質素和多酚類物質，感病品種中的木質素較少。木質素和多酚類物質可能在抗病中起著某種作用。

水稻受到稻曲病菌的侵染后，轉錄組水平和蛋白質組水平都將發生變化。張震等［22-24］從稻曲菌中克隆了促分裂原活化蛋白激酶UVMK1基因，該蛋白由355個氨基酸組成，這有利于揭示稻曲菌生長和致病期間MAPK的信號轉導路徑，并且利用根癌農桿菌介導轉化系統建立了稻曲病的分子轉化體系，完成了稻曲菌cDNA文庫的制備。稻曲病菌遺傳轉化體系的建立以及cDNA文庫的制備，對克隆相關致病基因，研究稻曲病菌的致病機理和分析遺傳變異機制打下了基礎。潘雅嬌等［25］用 AFLP技術分析了稻曲病菌的遺傳多樣性，發現稻曲病菌和水稻品種不存在明顯的專化性互作。周永力等［26-27］采用RAPD和 AFLP技術分析稻曲病菌的遺傳多樣性和群體遺傳結構，并用PCR技術進行了稻曲病的專一性檢測研究。李余生等［28］進行了水稻稻曲病的抗性遺傳機制研究，結果表明水稻稻曲病抗性遺傳率為82.84%。王永強等［29-30］分析了不同地理來源稻曲病菌的rDNA-IGS序列的多態性，發現不同地理來源稻曲病菌的rDNA-IGS中部變異區的重復序列單元的數目不同，rDNA-IGS序列特征可以作為種下群體的分子遺傳標記。還分析稻曲病菌的rDNA-ITS片段發現，不同來源的稻曲病菌在ITS序列上均高度同源，無法反應菌系相互之間的親緣關系。劉連盟等［31］克隆得到了稻曲菌的G蛋白β亞基2037bp的全編碼基因序列。該序列包含4個內含子，5個外顯子和1個編碼359個氨基酸的開放閱讀框，將該基因進行了原核表達并進一步做基因敲除研究，這為稻曲病菌致病分子機理打下了基礎。

5 存在的問題與前景展望

水稻稻曲病自發現以來，國內外學者對稻曲病已做了大量的研究工作。但對稻曲病的寄主范圍報道少且無準確的研究結果，對稻曲病菌病原學還缺乏較為系統的研究。對稻曲病菌致病性變異原因和致病性變異的分子機理尚不明確。稻曲病菌與水稻互作機理，與水稻細胞的識別和信號傳導、水稻防衛反應基因激活過程研究相對薄弱。

在未來幾年，需要找到稻曲菌的侵染致病和毒性變異的重要相關基因，對稻曲菌全基因組有清晰的認識，建立成熟的稻曲菌的遺傳轉化技術體系，利用RNA干擾、基因敲除等反向遺傳學的方法和技術建立一些稻曲菌突變體。從分子水平闡明稻曲病菌的致病機理。利用功能基因組學和蛋白質組學的研究技術方法，分離和克隆水稻抗稻曲病基因，研究稻曲菌與水稻互作過程中，病原激發子的信號傳導與防衛反應基因激活過程的調控機理，并通過轉基因技術創建新的抗稻曲病菌的種質資源與持久抗稻曲病新品種。

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