大豆孢囊線蟲大豆和煙草群體寄生性比較分析

劉海勤,　劉泉成,　趙洪海

(青島農業大學農學與植物保護學院,山東省植物病蟲害防控重點實驗室,青島　266109)

?

大豆孢囊線蟲大豆和煙草群體寄生性比較分析

劉海勤,劉泉成,趙洪海*

(青島農業大學農學與植物保護學院,山東省植物病蟲害防控重點實驗室,青島266109)

通過盆栽試驗,測定大豆孢囊線蟲(Heteroderaglycines,soybean cyst nematode, SCN)大豆群體(SCNS)和煙草群體(SCNT)對5個大豆品種(SCN生理小種鑒別寄主)和9個煙草栽培品種的寄生性。結果發現,SCNS在5個大豆品種上的平均繁殖系數(Rf=Pf/Pi)為0.60(0.14～1.90),在感病對照品種‘Lee’上平均Rf高達1.90;SCNT在5個大豆品種上的平均Rf為0.18(0.06～0.44),在感病對照品種‘Lee’上Rf為0.44。SCNS對9個煙草品種幾乎無寄生性,平均Rf為0.06(0.00～0.10);SCNT則能寄生9個煙草品種,平均Rf為1.26(0.45～1.95)。接種35 d后,在不同大豆品種根內SCNS和SCNT的幼蟲數量均極少,侵染率基本相同;在不同煙草品種根內SCNS的幼蟲數量均為0,而SCNT的幼蟲數量平均為26.5(14.6～57.0)。研究表明,供試SCNS屬于14號生理小種,但供試SCNT與之寄生性差異大,屬于新的SCN致病類型。

大豆孢囊線蟲;大豆;煙草;繁殖系數;寄生性;新致病類型

大豆孢囊線蟲(Heteroderaglycines,soybean cyst nematode, SCN)屬于線蟲門、墊刃目、異皮科,是世界上危害大豆最嚴重的植物病原線蟲之一[1-2]。SCN在我國黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、北京、河北、山西、山東、河南、江蘇、安徽等16省(直轄市、自治區)有發生,每年大豆受害面積超過150萬hm2,嚴重發病地塊減產30%以上,甚至絕收[3]。SCN在我國除危害大豆外,還可侵染煙草、地黃、泡桐等作物[4-6]。

SCN是嚴格的專性寄生物,種內群體間存在明顯的生理分化現象,而寄生大豆的SCN存在16個生理小種[7-8]。作者在調查中多次發現,在同一地點大豆和煙草上同時發生SCN,而且研究初步表明SCN大豆群體和煙草群體在田間侵染特性和寄主適應性上存在差異[9-10],但其致病類型及其對煙草不同品種的致病性尚不明確。本試驗測定同一地點來源的SCN大豆和煙草群體的寄生性差異,將為SCN綜合治理中的抗性利用提供依據。

1　材料與方法

1.1材料來源

SCN大豆群體和煙草群體均采自山東省諸城市辛興農場,分別用SCNS和SCNT表示。供試大豆品種5個,為‘Lee’、‘Pickett’、‘Peking’、‘PI88788’和‘PI90763’,即SCN生理小種鑒別寄主,由沈陽農業大學北方線蟲研究所提供。供試煙草品種9個,為‘中煙100’、‘中煙103’、‘中煙201’、‘中煙202’、‘安煙2號’、‘龍江911’、‘K326’、‘NC89’和‘NC95’,由中國農業科學院煙草研究所提供。大豆和煙草種植缽為塑料水杯,杯口直徑6.5 cm、杯底直徑4.5 cm、杯高9.0 cm。

1.2線蟲接種和培育

2014年6月,每杯裝滅菌砂壤土200 g后,移栽胚根長4～5 cm豆苗或3～4片真葉煙苗,每杯1株。同時進行線蟲接種:在幼苗四周土壤上用玻璃棒打4個孔,孔深至根系水平,每孔置入4個壓破的孢囊,用水淋沖后覆蓋滅菌土封嚴,每杯共接種孢囊16個(約含1 500個卵),即最初孢囊群體密度(Pi)為8.0個/100 g土壤。將種植杯置溫室內在22～32 ℃環境下培育。大豆和煙草每個品種重復5次。

1.3寄生性調查方法

線蟲接種35 d后,扣缽取根,檢查根系上和土壤中白色雌蟲并計數,并對根系中的線蟲進行染色、計數。記錄各品種處理形成的雌蟲(Female)及每株根內2齡幼蟲(J2)、3齡和4齡幼蟲(J3+J4)的數量。在此試驗中雌蟲群體密度即為最終孢囊群體密度(Pf)。

SCNS生理小種鑒定方法參考雌蟲指數(female index,FI)法:FI=(供試品種每株根上平均孢囊數/感病對照品種‘Lee’上平均孢囊數)×100,當FI≥10時為感病,反之抗病。根據各鑒別寄主對SCNS的抗感反應,確定其生理小種類型[3, 7]。

SCNS和SCNT對大豆和煙草品種寄生性大小的測定采用繁殖系數(reproduction factor,Rf)法:Rf=最終孢囊群體密度(Pf)/最初孢囊群體密度(Pi)。本試驗中Pf即接種35 d后形成的雌蟲群體密度。Rf值越大,寄生性越強[11]。

利用DPS數據處理系統軟件(DPS 14.50)中的Duncan新復極差法對試驗數據進行統計分析。

2　結果與分析

2.1SCNS和SCNT對大豆的致病性

SCNS在5個SCN生理小種鑒別寄主上的致病性測定結果(表1)表明, SCNS在5個鑒別寄主上的Rf為0.14～1.90,平均為0.60,其中在感病對照品種‘Lee’上的Rf高達1.90,品種‘Lee’表現為高感。參照Riggs等[7],‘Pickett’、‘Peking’和‘PI90763’表現為感病,‘PI88788’表現為抗病,由此推斷SCNS屬于大豆孢囊線蟲14號生理小種[3,7]。

表1　SCN鑒別寄主對SCNS的抗感反應1)Table 1　The resistance (-) and susceptibility (+) reactions of the SCN host differentials to SCNS

1) 表中雌蟲數和Rf數值為5次重復的平均值±標準誤,同列不同大寫字母表示0.01水平差異顯著性,下同。
The values for female number andRfare means of five replicates ± SE; different capital letters indicate significant difference at 0.01 level. The same below.

SCNT在5個SCN生理小種鑒別寄主上的致病性測定結果(表2)表明,SCNT在5個鑒別寄主上的Rf為0.06～0.44,平均為0.18。SCNT在感病對照品種‘Lee’上繁殖最好,但也僅產生6.4個孢囊,Rf為0.44(表明繁殖1代后群體密度下降56%),即感病對照品種‘Lee’對SCNT亦具有一定程度的抗性[3]。SCNT在其他鑒別寄主上的繁殖系數均不到0.20,只有輕微寄生性。由此得知,SCNT對SCN鑒別寄主雖然均能侵染,但相對于SCNS其致病性明顯較差。由于感病對照品種‘Lee’對SCNT并非表現高感,故而用現有的這套SCN鑒別寄主無法鑒定其生理小種類型。

表2　SCNT在SCN鑒別寄主上的繁殖結果Table 2　The reproduction of SCNT on the host differentials of SCN

2.2SCNS和SCNT對煙草的致病性

SCNS和SCNT在9個煙草品種上的繁殖情況分別見表3和表4。

由表3可見,SCNS在9個煙草品種上的繁殖雖然存在極顯著差異,但在繁殖最好的‘中煙103’上的Rf也僅為0.10,在9個煙草品種上的Rf平均為0.06。

表3　SCNS在不同煙草品種上的繁殖結果Table 3　The reproduction of SCNS on different tobacco cultivars

表4　SCNT在不同煙草品種上的繁殖結果Table 4　The reproduction of SCNT on different tobacco cultivars

由表4可見,SCNT在9個煙草品種上均能繁殖,但在‘K326’、‘中煙202’和‘安煙2號’上的繁殖最好,在‘中煙103’和‘中煙201’上的繁殖最差,兩者Rf的差異達極顯著水平(P<0.01)。SCNT在9個煙草品種上的Rf為0.45～1.95,平均為1.26,是SCNS的21倍。

由此表明,SCNS和SCNT對煙草的寄生性存在明顯差異。SCNT對煙草的寄生性強,煙草是SCNT的寄主,有些品種甚至是其好寄主;但SCNS對煙草的寄生性極差,煙草是SCNS的極差寄主,甚至是其非寄主。

2.3SCNS和SCNT對大豆和煙草根系的侵染觀察

大豆孢囊線蟲鑒別寄主分別接種SCNS和SCNT35 d后(表5),除‘PI90763’根內有少量J2外,其他品種根內均未見J2,差異不顯著(P<0.05);接種SCNS后在感病品種‘Lee’上有較多發育中的J3+J4,與其他品種存在顯著性差異,而接種SCNT后不同品種根內J3+J4數量差異不顯著。表明接種35 d后,SCNS和SCNT在5個鑒別寄主品種上均已完成1代,侵染率基本相同。

表5　不同大豆品種單株根內SCNS和SCNT幼蟲數量1)Table 5　The juvenile number of SCNS and SCNT in single roots of different soybean cultivars

1) 表中數值為5次重復的平均值±標準誤,同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著性,下同。

The values are means of five replicates±SE; different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level.The same below.

接種SCNS35 d后,9個煙草品種根內均無任何蟲態。接種SCNT35 d后,9個煙草品種單株根系中J2數量為12.1(5.6～28.2)條,J3+J4數量為14.4(8.8～28.8)條,全部幼蟲(J2+J3+J4)數量為26.5(14.6～57.0)條,其中‘中煙201’中幼蟲數量最多,與其他品種存在顯著性差異(P<0.05),而其他品種中的J2數量也存在顯著性差異,但J3+J4數量差異不顯著(表6)。

表6　不同煙草品種每株根內SCNS和SCNT幼蟲數量Table 6　The juvenile numbers of SCNS and SCNT in single roots of different tobacco cultivars

3　討論

SCN是植物的專性內寄生線蟲,寄主范圍相對較寬,但大多數屬于豆科植物,包括大豆(Glycinemax)、赤豆(Vignaangularis)、菜豆(Phaseolusvulgaris)、綠豆(Phaseolusaureus)、豌豆(Pisumsativum)等作物,其差寄主或非寄主則主要有小麥、燕麥、大麥、黑麥、玉米、水稻、高粱、棉花、花生、甘薯、煙草、甘蔗、甜菜、番茄、甜瓜等作物[12-14]。然而,某種植物對于SCN的寄主地位并非一成不變,例如,在試驗條件下SCN的一個群體在番茄等非寄主上適應多代后,可具備在這些非寄主上繁殖的能力[15]。本研究則表明,SCNT在煙草上繁殖良好,在大豆上繁殖差,煙草是其好寄主,而大豆是其差寄主;SCNS在大豆品種‘Lee’上繁殖良好,在所有煙草品種上幾乎不能繁殖,大豆是其好寄主,而煙草是其極差寄主或非寄主。

SCN群體間存在明顯的寄生性分化,根據其對大豆特定品種的寄生性差異,可分成不同的生理小種或HG類型[7, 16]。根據Riggs等的生理小種鑒別體系,SCN理論上存在16個生理小種,目前除12號和16號小種未被發現外,世界上已發現14個小種。其中美國SCN小種類型最多,存在全部14個已被發現的小種,優勢小種為3號;其次是中國,存在1、2、3、4、5、6、7和14號共8個小種,其中黃淮大豆產區SCN的優勢小種是4號,而東北大豆產區SCN的優勢小種是3號[13, 17-18]。山東省是重要的夏大豆產區,SCN小種類型較為復雜,已報道有1、2、4、5和7號共5個小種,其中1號小種分布在禹城、濟南、濰坊、昌邑、東營、山東半島(膠州等),2號分布在聊城、德州,4號分布在菏澤、墾利,5號分布在東營,7號分布在山東半島西部的濰坊、高密、昌邑[17-19]。本研究中將采自諸城市(濰坊市管轄的縣級市)的SCNS群體鑒定為14號小種,屬該小種在山東省的首次發現。在寄主抗性的選擇壓力下,SCN生理小種的變異常有發生[18, 20-27]。例如,SCN 3號小種在具備不同抗性基因的大豆上繁殖10余代后,能夠變為4、6或14號小種[21, 25-26];種植大豆歷史相對較短的美國卻擁有世界上最多的SCN小種類型,可能是普遍種植抗線蟲大豆品種所致[13]。14號小種在我國屬劣勢小種,之前僅在黑龍江省安達市大豆田自然發生,與優勢小種3號相比其毒性較強[28-29]。

目前,侵染煙草的SCN僅發生在我國的山東和河南兩省,在其他省及國外尚無SCN侵染煙草的報道[4, 9, 30]。SCNT與同一地點來源的SCNS在對大豆和煙草的寄生性上均存在明顯差異,究其原因,可能與其對各自寄主的長期適應有關。波多黎各發生SCN歷史很短,對于波多黎各SCN 2號小種多數木豆(Cajanuscajan)品種是免疫的,只有少數品種輕微感病,而在之28年之前已有美國SCN群體嚴重和中等侵染木豆的報道[31-32]。山東和河南兩省位于黃淮流域,該流域可能是大豆的起源地,大豆栽培歷史已有5000年上下[33]。從大豆-SCN協同進化角度看,黃淮流域SCN原本應具較為豐富的遺傳多樣性。中國植煙歷史較短,約400年上下時間,山東和河南兩省在清朝開始植煙,至今僅有350～400年時間[36]。由此可見,SCNT可能是大豆上SCN某個原始或特有種群(針對美國等國外地理區域)經過多年對煙草的適應演變而來。此外,在黃淮流域SCN侵染泡桐和地黃現象均有報道[6, 10],亦可說明該區域SCN種群存在較為多樣的寄主專化性分化。

SCNS和SCNT在形態、ITS序列及SSR標記的遺傳結構上(另文發表)沒有區別,但寄主和環境適應性及寄生性差異明顯[4, 9-10, 37],可能與它們能否克服煙草和大豆的某種/些抗性機制有關。大豆抗SCN的機制主要包括抗孵化、抗侵入和抗發育及相關的生化機制[38]。煙草中的煙堿具有殺線蟲活性,長期生活在煙草根圍的線蟲種群能夠應對煙堿高劑量處理[39]。煙草對SCNS的幾乎免疫及大豆對SCNT的較高抗性(Rf≤0.44)發生在哪個線蟲發育階段,以及煙草和大豆中的某些線蟲抑制物質(諸如煙堿和大豆素Ⅰ等)是否與抗孢囊線蟲有關,均需要深入研究。目前,利用抗病性是控制SCN的最經濟有效措施,但SCN生理小種的變異和新毒性小種的出現為抗病品種的選育和合理布局帶來了難題[3, 12-14]。因而,有必要加強SCN生理小種田間監測工作,為品種抗性的科學利用提供依據。

[1]Jones J T, Haegeman A, Danchin E G J, et al. Top 10 plant-parasitic nematodes in molecular plant pathology [J]. Molecular Plant Pathology, 2013, 14(9): 946-961.

[2]Wrather J A, Anderson T R, Arsyad D M, et al. Soybean disease loss estimates for the top ten soybean-producing countries in 1998[J]. Canadian Journal of Plant Pathology, 2001, 23(2): 115-121.

[3]段玉璽. 植物線蟲學[M]. 北京: 科學出版社, 2011.

[4]程子超, 趙洪海, 李建立, 等. 山東省寄生煙草的孢囊線蟲種類鑒定及種內群體間rDNA-ITS-RFLP分析[J]. 植物病理學報, 2012, 42(4): 387-395.

[5]陳金堂, 李知. 為害地黃的大豆孢囊線蟲的初步研究[J]. 植物病理學報, 1981, 11(1): 37-44.

[6]張東升. 大豆胞囊線蟲侵染泡桐和豌豆的研究[J]. 植物病理學報, 1995, 25(3): 275-278.

[7]Riggs R D, Schmitt D P. Complete characterization of the race scheme forHeteroderaglycines[J]. Journal of Nematology, 1988, 20(3): 392-395.

[8]Winter S M J, Rajcan I, Shelp B J. Soybean cyst nematode: Challenges and opportunities[J]. Canadian Journal of Plant Science,2006,86(1):25-32.

[9]趙洪海,丁海燕,王鳳龍.大豆和煙草上大豆孢囊線蟲田間侵染特征比較分析[J].中國農業科學,2014,47(22):4417-4425.

[10]王慧敏,趙洪海, 王鳳龍. 大豆孢囊線蟲不同寄主種群的形態變異及對大豆寄主的適應性差異分析[J]. 植物保護, 2014, 40(6): 106-111.

[11]Koenning S R. Resistance of soybean cultivars to field populations ofHeteroderaglycinesin North Carolina [J]. Plant Disease, 2004, 88(9): 942-950.

[12]Noel G R.Heteroderaglycinesin soybean[J]. Nematologia Brasileira, 1993, 17(2): 103-121.

[13]Yu Q. Soybean cyst nematode (HeteroderaglycinesIchinohe)[M] ∥ El-Shemy H A. Soybean Physiology and Biochemistry. Rijeka, Croatia: InTech Europe, 2011: 461-474.

[14]Niblack T L, Tylka G L. Soybean cyst nematode management guide. Fifth ed [EB/OL]. Plant Health Initiative, 2010: 1-16[2012-04-05]. http:∥www. manitobapulse.ca/wp-content/uploads/SCN_Management.pdf.

[15]Niblack T L, Colgrove A L. Adaptability ofHeteroderaglycinesto new hosts and resistant soybean cultivars [J]. Phytopathology, 2006, 96(6): S84.

[16]Niblack T L, Arelli P R, Noel G R, et al. A revised classification scheme for genetically diverse populations ofHeteroderaglycines[J]. Journal of Nematology, 2002, 34(4): 279-288.

[17]Lu Weiguo, Gai Junyi, Li Weidong. Sampling survey and identification of races of soybean cyst nematode (HeteroderaglycinesIchinohe) in Huang-Huai Valleys[J]. Agricultural Sciences in China, 2006, 5(8): 615-621.

[18]陳品三,齊軍山,王壽華,等.我國大豆胞囊線蟲生理分化動態的鑒定和監測研究[J].植物病理學報,2001,31(4):336-341.

[19]陳貴省,顏清上,閻淑榮,等.大豆孢囊線蟲的危害及其防治[J].作物雜志,2000(1):6-9.

[20]Cloud G L, Giggs R D, Caviness C E. Variability in host preference among field populations ofHeteroderaglycines[J]. Journal of Nematology, 1988, 20(3): 417-420.

[21]劉維志, 劉曄, 段玉璽, 等. 抗病品種對大豆孢囊線蟲的選擇作用[J]. 植物保護學報, 1993, 20(2): 135-137.

[22]Young L D. Changes in theHeteroderaglycinesfemale index as affected by ten-year cropping sequences [J]. Journal of Nematology, 1994, 26(4): 505-510.

[23]馬書君. 黑龍江省安達地區大豆孢囊線蟲生理小種動態監測[J]. 大豆科學, 1996, 15(3): 254-257.

[24]李云輝, 李肖白, 田中艷, 等. 連續種植大豆抗孢囊線蟲品種脅迫線蟲生理小種變異研究[J]. 大豆科學, 1998, 17(4): 370-372.

[25]于佰雙,王家軍,崔麗偉,等.連種抗線大豆品種(系)對大豆孢囊線蟲的選擇作用[J].黑龍江農業科學,1999(3):4-6.

[26]田中艷,高國金,周長軍,等.大豆胞囊線蟲生理小種變異研究[J].大豆科學,2007,26(2):290-292.

[27]Yu Baishuang, Duan Yuxi, Wang Jiajun, et al. Selection of virulence phenotypes from an original race 3 population ofHeteroderaglycinesby resistant cultivars [J]. Soybean Science, 2009, 28(3): 491-494.

[28]董麗民,許艷麗,李春杰,等.黑龍江省大豆胞囊線蟲胞囊密度和生理小種鑒定[J].中國油料作物學報,2008,30(1):108-111.

[29]陳雙,潘鳳娟,周長軍,等.黑龍江省安達地區大豆孢囊線蟲生理小種遺傳分化現象[J].土壤與作物,2015,4(1):42-47.

[30]Shi H, Zheng J. First report of soybean cyst nematode (Heteroderaglycines) on tobacco in Henan, central China[J]. Plant Disease, 2013, 97(6): 852.

[31]Smith J R, Chavarria-Carvajal J A. First report of soybean cyst nematode (Heteroderaglycines) on soybean in Puerto Rico [J]. Plant Disease, 1999, 83: 591.

[32]Smith J R, Chavarria-Carvajal J A. Host suitability of pigeon pea forHeteroderaglycinesrace 2 [J]. Nematropica, 2002, 32(2): 125-130.

[33]趙團結, 蓋鈞鎰. 栽培大豆起源與演化研究進展[J]. 中國農業科學, 2004, 37(7): 954-962.

[36]劉國順. 煙草栽培學[M]. 北京: 中國農業出版社, 2003: 4-5.

[37]趙洪海, 程子超, 王鳳龍. 山東省煙草孢囊線蟲的群體動態和世代發生特點[J]. 植物保護學報, 2013, 40(6): 529-532.

[38]吳海燕, 遠方, 陳立杰, 等. 大豆胞囊線蟲病與大豆抗胞囊線蟲機制的研究[J]. 大豆科學, 2001, 20(4): 285-289.

[39]Yu Qing, Potter J W. Selective nematicidal activity of nicotine[J]. Journal of Food, Agriculture & Environment, 2008, 6: 428-432.

(責任編輯：田喆)

Comparative analysis of the parasitism between soybean and tobacco populations ofHeteroderaglycines

Liu Haiqin,Liu Quancheng,Zhao Honghai

(College of Agronomy and Plant Protection, Qingdao Agricultural University; Key Laboratory of Integrated Crop Pest Management of Shandong Province, Qingdao266109, China)

The parasitism of the soybean population (SCNS) and tobacco population (SCNT) ofHeteroderaglycines(soybean cyst nematode, SCN) was tested separately on five soybean cultivars (SCN host differentials) and nine tobacco cultivars through pot experiments. It was found that, on the five soybean cultivars, the mean reproduction factor (Rf=Pf/Pi) of the SCNSwas 0.60 (0.14-1.90) with a highRfof 1.90 on the control susceptible cultivar ‘Lee’, and the meanRfof the SCNTwas only 0.18 (0.06-0.44) with a meanRfof 0.44 on ‘Lee’. The SCNScould hardly parasitize the nine tobacco cultivars with a meanRfof 0.06 (0.00-0.10), but the SCNTinfected well with the tobacco cultivars with a meanRfof 1.26 (0.45-1.95). In 35 d after the inoculation, the juveniles of SCNSand SCNTwere both rare in the roots of different soybean cultivars with nearly the same infection ratios, but in the roots of different tobacco cultivars, none of SCNSjuveniles was found and the mean juvenile number of SCNTwas 26.5 (14.6-57.0). The results indicated that the SCNSwas the physiologic race No.14, and SCNTwas a new SCN pathogenic type which greatly differed in parasitism from SCNS.

Heteroderaglycines;Glycinesmax;Nicotianatabacum;reproduction factor;parasitism;new pathogenic type

2015-03-08

2015-03-27

公益性行業(農業)科研專項(201503114);中國煙草總公司科技項目(110200902065);山東省“泰山學者”建設工程專項;山東省普通本科高校應用型人才培養專業發展支持計劃項目

E-mail:hhzhao@qau.edu.cn

S 435. 651

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2016.02.011

致謝：沈陽農業大學北方線蟲研究所段玉璽教授提供大豆孢囊線蟲鑒別寄主種子，中國農業科學院煙草研究所提供煙草品種，在此表示感謝。