種植區(qū)環(huán)境對燕麥種質成株期白粉病抗性的影響

孫浩洋，趙桂琴，柴繼寬，曾 亮，焦?jié)櫚玻鹦■瑢m文龍，黎 蓉

(甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

燕麥(Avenasativa)是我國北方地區(qū)重要的一年生禾本科糧飼兼用作物[1]，具有營養(yǎng)價值高、生物量大、生長速度快以及抗逆性強等優(yōu)良特性[2]，近年來種植面積不斷擴大。由于種植水平的不斷提高和水肥條件的改善，以及氣候變暖[3-4]，燕麥在大面積集約化生產中較易發(fā)生白粉病、黑穗病、銹病和葉斑病等病害[5]。

由禾本科布氏白粉菌(Blumeriagraminis)引起的燕麥白粉病為世界范圍的氣傳真菌性病害。據(jù)國家現(xiàn)代農業(yè)(燕麥蕎麥) 產業(yè)技術體系調查，甘肅省燕麥主產區(qū)白粉病的發(fā)病株率為45%～100%， 病情指數(shù)高達78[6]。白粉菌主要侵染燕麥葉片，影響光合作用[7-8]，導致植株矮小，不抽穗或穗短；還影響燕麥灌漿，形成空粒、癟粒，千粒質量下降[9]，減產最高可達39%[10]。因此，防治白粉病已成為燕麥生產區(qū)的主要問題。在所有防治手段中，篩選和使用抗性品種是最直接、最根本的方法。目前，燕麥資源白粉病抗性的研究已有報道，郭斌等[11]對128份燕麥材料進行了白粉病抗性的田間鑒定，發(fā)現(xiàn)高抗材料2個，中抗材料8個；趙峰等[12]從213份燕麥種質中篩選出高抗白粉病材料12份、中抗材料18份。研究都是在同一個試驗點開展，只是年份不同。二者試驗中有6份材料是相同的，但是抗性鑒定的結果卻大有不同。如白燕2號在2009～2011年表現(xiàn)為中抗，2012～2014年表現(xiàn)為高感；白燕9號和青永久149均在2009～2011年表現(xiàn)極感，2012～2014年表現(xiàn)中感，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是同一地點不同年份的溫度、濕度等環(huán)境條件差異較大。環(huán)境條件成為影響鑒定結果的主要因素，何美敬等[13]通過對116份花生材料進行連續(xù)2年的田間抗性評價，發(fā)現(xiàn)一些材料在不同溫度、濕度等條件下對花生果腐病的抗性差異較大。周勇等[14]通過在7個不同環(huán)境下對502份白皮小麥進行穗發(fā)芽抗性鑒定和評價，發(fā)現(xiàn)僅有7份材料具有在多個環(huán)境下穩(wěn)定的抗性。黃凌洪等[15]選取5個不同生態(tài)試點采用分批播種法對稻瘟病進行抗性研究也得出類似的結果。因此，要評價某一材料的抗病性，需在不同環(huán)境下進行檢驗，篩選抗性穩(wěn)定的材料用于生產，才能有效控制病害蔓延。

近年來隨著毒性增強、毒譜更廣的病菌小種不斷出現(xiàn)，一部分作物已逐漸喪失垂直抗性基因，水平抗性基因逐漸表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，而成株抗性對病原菌生理小種的選擇壓力小，往往具備廣譜且持久的抗病性[16]，利用成株抗性是未來實現(xiàn)品種兼抗和持久抗性的最佳選擇[17]。因此，分別在甘肅二陰地區(qū)和半干旱區(qū)設置鑒定圃，調查燕麥種質資源在田間自然感病條件下對白粉病的成株期抗性，研究種植區(qū)環(huán)境對燕麥資源成株期白粉病抗性的影響，為篩選高抗穩(wěn)定的燕麥抗白粉病種質提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試燕麥材料共計28份(表1)，其中國內材料20份，國外材料8份，均由甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 鑒定圃 試驗設立在甘肅二陰地區(qū)和半干旱區(qū)，二陰地區(qū)選擇甘肅省定西市通渭縣華家?guī)X鎮(zhèn)老站村，海拔2 242 m，年均氣溫3.4℃，無霜期80 d，年均降水量500 mm，日照時數(shù)2 100～2 430 h，≥0℃的積溫為2 530℃。于2017年4月上旬進行田間播種。半干旱區(qū)鑒定圃設在甘肅農業(yè)大學蘭州牧草試驗站(下稱牧草站)，海拔1 473.64 m，年均氣溫11℃。日照時數(shù)2 352～2 769 h，無霜期180 d，降水量400 mm，主要集中在7～9月(圖1)。于2017年3月下旬播種。

鑒定圃均采用單行條播方式種植，行長1.5 m，行距30 cm，播種量為225 kg/hm2，4次重復，供試材料按編號隨機排列，鑒定圃四周設保護區(qū)。

1.2.2 病情調查 在燕麥白粉病發(fā)病盛期(孕穗期)進行病情調查，每份材料隨機調查100片葉，按GB/T 17980.22-2000《農藥田間藥效試驗準則(一)殺菌劑防治禾谷類白粉病》分級標準(表2)[18]逐葉記載發(fā)病的嚴重度并計算病情指數(shù)。

式中：DI為病情指數(shù)；i為病級數(shù)(1～n)；Xi為病情是i級的單元數(shù)；Si為病情是i級的嚴重度值。

表1 供試燕麥材料

表2 燕麥白粉病分級標準[18]

圖1 試驗區(qū)2017年降雨、溫度、相對濕度分布Fig.1 Distribution of rainfall,temperature and relative humidity in the test area in 2017

1.2.3 病情分級和抗性評價標準 燕麥成株期白粉病病情分級標準，及以病情指數(shù)為基礎，采用相對抗性評價方法(表3)[19-22]。

相對抗病指數(shù)=1- (所測品種病情指數(shù)/發(fā)病最重品種病情指數(shù))

表3 燕麥白粉病的抗性評價標準

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)錄入及處理，采用Origin Pro 2018繪圖。

2 結果與分析

2.1 供試材料在二陰地區(qū)的抗病性分析

從表4中28份燕麥種質資源中無免疫材料；709、4641、4663、99AS207、壩燕6號、青永久25、青永久316、青永久321、青永久479和青永久49等10份材料表現(xiàn)高抗，病情指數(shù)在0.11～3.11，相對抗病指數(shù)均大于0.88；其中4641、99AS207的相對抗病指數(shù)最高，達0.99。另外4607、DA92-3F4、QO245-7、Rigdon、青永久016、青永久164、青永久252、青永久260、青永久420、青永久9以及青永久98等11份材料表現(xiàn)中抗，病情指數(shù)為3.56～11.22，占供試材料的39.29%。中感材料有3份，為199、青永久163和青永久304，病情指數(shù)在11.56～16.89，占10.71%。表現(xiàn)高感的有4份，占供試材料的14.29%，病情指數(shù)介于18.22～26.00，其中，加拿大的材料4628的病情指數(shù)最高，伽利略次之，分別為26.00和23.61。

2.2 供試材料在半干旱區(qū)的白粉病抗性

種植在半干旱區(qū)的28份燕麥種質資源中也無免疫材料(表5)。199、4628、4641、99AS207、QO245-7、伽利略、青永久307與青永久420共8份表現(xiàn)高抗，病情指數(shù)在2.67～8.56，相對病情指數(shù)均高于0.86；其中，4641病情指數(shù)最低，為2.67，相對抗病指數(shù)為0.96。4607、4663、DA92-3F4、Rigdon、壩燕6號、白燕7號、青永久163、青永久252、青永久304、青永久321、青永久9和青永久98共12份材料表現(xiàn)中抗。中感材料有2個，為青永久25和青永久479。表現(xiàn)高感的材料6份，均來源于青海，其中青永久49的病情指數(shù)最高，為61.00。高抗、中抗、中感以及高感材料分別占供試材料的28.57%、42.86%、7.14%和21.43%。

表5 牧草站燕麥種質資源白粉病抗性鑒定

2.3 燕麥種質白粉病抗性穩(wěn)定性

燕麥白粉病田間發(fā)生和流行主要與氣溫、相對濕度和降水量密切相關，華家?guī)X和牧草站的氣候條件存在明顯差異(圖1)，結合2個試點抗性評價結果可以看出，種植區(qū)環(huán)境對燕麥種質白粉病抗性有顯著影響且以溫度為主要因素，主要表現(xiàn)為溫度較高的半干旱區(qū)平均病情指數(shù)高于相對濕度及降雨量較高的二陰地區(qū)(20.33 vs.8.09)，發(fā)病較為嚴重。同時，同一燕麥材料在不同種植環(huán)境下的白粉病抗性也存在顯著差異，主要體現(xiàn)在兩試點的相對抗病指數(shù)差異，其中709、4628、白燕7號、伽利略、青永久016、青永久163、青永久260、青永久307、青永久316、青永久479和青永久49的相對抗病指數(shù)變化幅度均超過50%，表現(xiàn)不穩(wěn)定；4628在牧草站的病情指數(shù)為4.67，在華家?guī)X為26.00，差異最大，相對抗病指數(shù)變化超過92.00%，抗性極不穩(wěn)定，受環(huán)境影響很大。4641和99AS207無論是在半干旱地區(qū)還是二陰地區(qū)，均表現(xiàn)為高抗白粉病，相對抗病指數(shù)均大于0.95，抗性穩(wěn)定。28份燕麥材料中，4607、Rigdon、DA92-3F4、青永久252、青永久9以及青永久98在兩地的抗性評價中均表現(xiàn)為中抗，且抗性穩(wěn)定，不易受環(huán)境因素的影響(見圖2)。

3 討論

與人工接種相比，利用田間自然感病對各燕麥材料進行抗性評價，更能客觀反映生產中品種對當?shù)夭≡后w的抗性類型[11]。然而田間抗性評價易受環(huán)境條件等諸多因素的影響，僅憑一地的田間評價結果很難全面反映品種的抗性水平及其穩(wěn)定性[23]。因此，試驗選取牧草站和華家?guī)X2個氣候環(huán)境不同的試點進行抗性評價。由于白粉病屬于典型氣傳病害，為減少供試材料在田間環(huán)境下因傳播菌量不同造成的發(fā)病程度差異，采用相對抗病指數(shù)來判定其抗病性類型[24]，該方法已廣泛應用于小麥[25]、馬鈴薯[26]、草地早熟禾[27]等植物的大田抗病性評價。種植在不同環(huán)境下的燕麥材料對白粉病抗性差異很大，其中相對抗病指數(shù)變化最大的是4628(在華家?guī)X為0，在牧草站為0.92)、其次是青永久49，伽利略、709、白燕7號；而4607、4641、99AS207、Rigdon、DA92-3F4、青永久252、青永久9以及青永久98在2個試驗點中的相對抗病指數(shù)差異較小，說明這些材料的抗性較為穩(wěn)定，其中4641、99AS207表現(xiàn)為穩(wěn)定高抗，4607、Rigdon、DA92-3F4、青永久252、青永久9、青永久98等6個材料表現(xiàn)為穩(wěn)定中抗。28份材料中未發(fā)現(xiàn)免疫材料。

圖2 2個試驗地燕麥材料的相對抗病指數(shù)Fig.2 Comparison of relative disease resistance indices between the two experimental points

植物發(fā)病是病原菌、植物和環(huán)境三者相互作用的結果。氣候變化對病原物直接作用或影響寄主從而間接作用于病原物[28]。在某一范圍內，溫度升高或降水量發(fā)生變化時可以通過改變病原菌的生命周期狀態(tài)、病原菌越冬、越夏數(shù)量和存活數(shù)量、病原菌的傳播擴散能力等影響病害的發(fā)生流行。Jahn等研究表明溫度升高，降雨量減少時，小麥、大麥和甜菜白粉病發(fā)生嚴重[29]。白粉菌的最適溫度范圍為15～20℃，當溫度低于10℃時發(fā)病較為緩慢，而超過25℃時會受到明顯抑制[30]。張蕾等[31]研究表明小麥白粉病發(fā)生程度與最低溫度、相對濕度、降水量、降雨日數(shù)呈正相關。劉偉等[32]通過Burkard定容式孢子捕捉器對田間空氣中小麥白粉病菌分生孢子的檢測，也發(fā)現(xiàn)白粉菌分生孢子濃度與溫度顯著相關。才旦卓瑪?shù)萚33]研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的小麥白粉菌在不同溫度下其潛育期、敏感性、溫度抑制中值以及溫度終止閾值存在極顯著差異。相對濕度也是影響白粉病發(fā)生的重要因素[34]。在一定范圍內，相對濕度與病害程度成正比，但濕度過大不利于分生孢子的形成和傳播，反而抑制病情發(fā)展[35]。王海燕[36]研究報道一定濕度與溫度條件下，平均相對濕度對小麥白粉菌侵染機率的直接影響比平均溫度直接影響大。土壤水分與濕度密切相關，李艷茹[37]通過測定不同白粉病抗性的小麥品種的土壤含水量發(fā)現(xiàn)，土壤含水量比較高的小麥品種白粉病抗性較差。降水量與空氣濕度密切相關，適量的降水會加重小麥白粉病發(fā)生，但連續(xù)降水則不利于分生孢子的形成和傳播，并會沖刷掉小麥葉表面的分生孢子，不利于病害的發(fā)生與流行[38]。葉玉等[39]通過監(jiān)測不同食用玫瑰的白粉病田間發(fā)病情況發(fā)現(xiàn)，發(fā)病嚴重度隨降雨量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，雨季高峰的到來開始降低至病癥消失。通過甘肅省蘭州市氣象局提供的2017年氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(圖1)，在燕麥生育期4～9月間，華家?guī)X的平均溫度為11.86℃，低于牧草站(20.59℃)，平均濕度為72.97%，高于牧草站(46.17%)，降雨量為476.70 mm，遠高于牧草站(299.60 mm)。因此，雖然牧草站在燕麥生育期的平均濕度及降雨量低于華家?guī)X，但由于其平均溫度處于白粉菌繁殖的最適溫度范圍內，而且華家?guī)X連續(xù)降雨可能會沖刷葉片表面的白粉病菌，因此牧草站種植的燕麥其白粉病病情指數(shù)顯著高于華家?guī)X。

由于白粉菌變異速度較快，在不同的生態(tài)條件下可能存在不同致病力的生理小種，這也可能是導致同一燕麥材料在不同種植區(qū)白粉病抗性表現(xiàn)不同的原因。Carver等[40]對燕麥白粉菌生理小種及其致病力研究較多，其選擇6個具有不同白粉病抗性的燕麥品種對燕麥白粉菌的2個生理小種進行了毒力鑒定，研究表明生理小種2和生理小種4的致病力差異顯著。Okoń和Ociepa[41]利用8個具有不同白粉病抗性的燕麥品種對不同年份、不同地區(qū)采集的20個白粉菌株進行致病力的測定發(fā)現(xiàn)這些白粉菌菌株具有不同的致病力。國內對于燕麥白粉菌的生理小種及其致病力研究較少，僅有孫道旺等[42]人對云南省燕麥白粉菌進行了致病力測定，對于甜瓜白粉病[43]、南瓜白粉病[44]、小麥白粉病[45]等植物的白粉病生理小種研究較多。王婉琳[46]利用36個小麥單基因系鑒別寄主對采自東北和四川地區(qū)的80個白粉菌單孢菌株進行毒力及其頻率分析，表明東北地區(qū)小麥白粉菌的毒力頻率隨時間不斷變化，且不同年份、地區(qū)的小麥白粉菌毒力結構存在差異。呂元佐等[47]研究發(fā)現(xiàn)引起甜瓜白粉病的單囊殼白粉菌(P.xanthii)，其不同生理小種的發(fā)病時期溫度不同，不同地區(qū)、不同年份的優(yōu)勢小種不同，并且存在不同生理小種在不同年份交替發(fā)生且并存的現(xiàn)象，說明白粉病的發(fā)生存在顯著的時間性和地區(qū)性[41]。因此，試驗中同一燕麥材料在2個試驗點表現(xiàn)出的白粉病抗性差異除與所處的環(huán)境有關外，是否還與2個試驗點的白粉菌生理小種不同有關還需進一步研究。

植物的抗病性不僅與病原菌有關，還與植物所處的環(huán)境有關。王文平[48]研究發(fā)現(xiàn)在亞高溫、高濕環(huán)境下番茄熱激蛋白表達上調，導致番茄對葉斑病的抗性減弱。李元等[49]發(fā)現(xiàn)太陽輻射通過改變植物形態(tài)防御結構對植物體內或表面的病菌生命活動與侵染力產生影響，間接改變植物抗病性。朱昳[50]和李旭升等[51]研究發(fā)現(xiàn)，不同海拔高度及生育期也會影響水稻對稻瘟病的抗性。

4 結論

(1)以種植區(qū)溫度為主要影響因素的環(huán)境條件對燕麥成株期白粉病抗性有顯著影響。

(2)28份燕麥種質資源在半干旱區(qū)和二陰地區(qū)均未發(fā)現(xiàn)對白粉病免疫的材料。

(3)供試材料中，在不同種植區(qū)下表現(xiàn)穩(wěn)定的高抗材料為4641、99AS207；穩(wěn)定的中抗材料為4607、Rigdon、DA92-3F4、青永久252、青永久9、青永久98等6份；有5份材料具有抗病性但是不穩(wěn)定，其余材料在兩地均感白粉病。