中國大麥黃矮病毒及BYDV-GAV株系研究進展

喬世英，閆佳會，郭青云

（青海大學農林科學院/青海省農業有害生物綜合治理重點實驗室/農業農村部西寧作物有害生物科學觀測實驗站，青海 西寧 810016）

由大麥黃矮病毒（Barley yellow dwarf virus，BYDVs）引起的小麥黃矮病是一種全球范圍內的麥類作物病害，該病害最早在美國加利福尼亞州發生并被報道[1]，此后在韓國、土耳其、法國、英國等國家也曾有過發生報道[2]。我國小麥黃矮病最早于20世紀六七十年代在陜西、甘肅等地發生并報道[1]，對糧食作物生產造成嚴重的經濟損失。該病害被稱為麥類作物的“黃色瘟疫”，一般情況下會造成麥類作物減產40%左右，嚴重時減產高達70%以上，因此又被稱為麥類作物的“癌癥”[3-4]。近年來，小麥黃矮病雖不在全國范圍內流行發生，但仍是一種地方性病害[2,5]，曾在我國的陜西、合肥、哈爾濱、西藏、青海、云南、甘肅等省份都有過發生為害[6-11]。

BYDV是黃癥病毒科（Luteovirdae）黃癥病毒屬（Luteovirus）成員[12]。BYDV株系劃分主要根據其傳毒介體的專化性進行[13]，不同的株系具有特定的傳播介體。在國際分類上，目前美國確定有BYDV-PAV、BYAV-MAV、BYDV-RPV、BYDV-SGV、BYDV-RMV 5個株系[4]；我國鑒定有4個株系，分別為BYDV-PAV、BYDV-GAV、BYDV-GPV、BYDV-RMV株系[14-15]。BYDV的主要傳毒介體為蚜蟲，該病毒不能通過汁液摩擦進行傳播[16-18]。

BYDV除為害麥類作物外，還會為害部分單子葉禾本科雜草。但有學者在土耳其的兩種雙子葉植物上發現存在BYDV-PAV株系的侵染，這是首次在雙子葉植物上發現BYDV的存在[4]。BYDV為害植株后植株表現的典型癥狀為矮化、叢枝、葉片發黃、葉片出現黃綠相間條紋等[7-9]。BYDV對麥類作物生產危害較重，防治該病害的途徑主要有抗病品種的選育、化學防治等。

本文對BYDV為害癥狀、株系分化、基因組結構和功能等方面進行梳理，并從作物品種的抗性鑒定、抗性基因篩選等對BYDV-GAV進行相關綜述[19]，以期為該病害的抗病育種提供一定的理論基礎，在一定層次上保障了我國糧食產量穩定發展。

1 BYDV為害癥狀、傳播、株系分化及防治

1.1 BYDV為害癥狀

BYDV為害麥類作物的典型癥狀為葉片黃化和植株矮化。小麥黃矮病的發生受多種因素影響（寄主種類、傳播介體種類、環境條件、侵染時間等）[20-21]。BYDV可侵染多種麥類作物，在小麥、青稞、燕麥等主要糧食作物上為害較為嚴重，有時也會危害水稻、莜麥等作物。小麥感染BYDV后主要表現為植株矮化、葉片黃化、分蘗減少、叢枝等癥狀（圖1）[5-9]。在燕麥上，植株受害后產生一種燕麥紅葉病，癥狀表現為植株受害后期葉片褪綠變紅，且相對于健康葉片明顯增厚，危害嚴重時，葉片褪綠變為紫色[22]（圖2）。青稞受BYDV侵染后，所表現的癥狀與小麥上相差甚微，主要表現為葉片明顯黃化，植株變矮，受害嚴重時，植株葉片變紅變紫（圖3）。

在植物生理方面，小麥感染BYDV-GAV后株高、葉綠素含量、千粒重等明顯下降，植株體內過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）等的活性升高[23-25]。

圖1 小麥受害癥狀Fig. 1 Symptoms of the virus-infected wheat

圖2 燕麥受害癥狀Fig. 2 Symptoms of the virus-infected oat

圖3 青稞受害癥狀Fig. 3 Symptoms of the virus-infected hulless barley

1.2 BYDV傳播

BYDV的主要傳毒介體為蚜蟲，主要有麥二叉蚜（Schizaphis guaminum）、禾谷縊 管 蚜（Rpopalosiphum padi）、 麥 長 管 蚜（Sitobion avenae）、 玉 米 蚜（Rpopalosiphum maidis）[26]。蚜蟲傳毒過程為蚜蟲在吸食已被病毒侵染的植株韌皮部汁液后，植株體內的病毒粒子存在于蚜蟲體內，而后通過蚜蟲取食新葉片隨唾液進入植株內從而為害植株的正常生長，且蚜蟲在取食感染BYDV-GAV的植株后其體內POD、超氧化物歧化酶（SOD）、酸性磷酸酶（ACP）的活性明顯升高[21,24]。

環境條件在一定程度也會影響病毒的傳播，有學者研究了干旱脅迫和溫度對病毒傳播的影響[20]，結果表明溫度升高會影響蚜蟲遷飛，有助于BYDV的侵染；植株受到干旱脅迫時，感染BYDV的植株相對較多。蚜蟲的遷飛時間也會影響病害的發生，東南方地區小麥蚜蟲的遷出時間較早可能會導致西北地區春麥區黃矮病發生流行嚴重，從而對作物的生產造成一定影響。在其他方面，作物播種時間越早，病害發生越嚴重；不同品種作物感染BYDV的程度也不一致。

1.3 BYDV株系分化

株系是病毒粒體變異后的病毒粒體總稱。病毒的變異包括其致病力、寄主范圍、傳播特性甚至病毒粒體形狀受生物、物理、化學等因素影響后發生性狀的變化。BYDV的株系劃分主要依據其傳播介體的專化性進行，目前美國劃分有BYDV-RPV、BYDV-RMV、BYDV-SGV、BYDVPAV、BYDV-MAV株系（表1）[3]。我國BYDV株系的鑒定最早于20世紀70年代由周廣和等[14]完成，結果鑒定得到我國BYDV主要有PAV、GPV、GAV、RMV 4種株系，其中GAV為我國主要流行株系，且為我國特有株系（表2）。相關序列分析結果顯示，我國的GAV株系與國外確定的MAV株系血親學關系較近，外殼蛋白序列一致性較高，在利用復制酶基因或非編碼區域進行序列比對時發現我國的BYDV-GAV與PAV-aus的同源性較高[25-26]。

表1 美國BYDV株系分化Table 1 Strain differentiation of BYDV in America

表2 我國BYDV株系分化Table 2 Strain differentiation of BYDV in China

在我國主要的麥類作物種植地區，小麥黃矮病都有或輕或重的發生流行。研究發現青海省、西藏拉薩地區、哈爾濱等地的麥類作物種植區BYDV主要為害株系為GAV株系[7-8]，陜西省主要麥類作物種植區也存在BYDV-GAV的侵染[5]。根據其傳播介體帶毒率的不同，有研究表明山西省、青海省、甘肅省等地蚜蟲的BYDV-GAV帶毒率較高[27]。

1.4 病害防治

BYDV在我國主要糧食種植區為害嚴重，威脅著我國的糧食生產，因此該病害的防治也是重中之重。對于該病害的防治目前報道的主要有農業、化學、生物防治等[28]，但病害防治要遵循“預防為主，綜合防治”的植保方針，多種防治方法綜合利用，進而減少環境污染，提高防治效率。

BYDV-GAV是我國的主要流行株系[14]，其傳毒介體為麥二叉蚜和麥長管蚜，阻斷其傳播途徑是防治該病害的重要途徑。但蚜蟲的傳毒過程受遷飛時間、當地環境條件等因素影響，對作物造成的危害具有時間的不確定性，因此增大了病害防治難度。殺蟲劑和病毒抑制劑的混用可有效的減輕蚜蟲的帶毒為害，研究表明殺蟲劑吡蟲啉和病毒必克的復配混用可有效預防小麥黃矮病[29]。另有研究人員發現云芝多糖可抗BYDV，且一定濃度的云芝多糖可有效防治小麥黃矮病，該藥劑的提前噴施對寄主小麥起到一定的保護作用[30-32]。藥劑拌種是病害化學防治的一條重要途徑，目前對該病害的防治應用最多的藥劑拌種有吡蟲啉等。小麥返青拔節期時噴施最新型的植物源農藥WCT（多羥基雙萘醛）也可對該病害起到良好的防治作用[33]。

在農業防治方面，選取種植適合當地的抗小麥黃矮病作物品種可在一定程度上減輕BYDV的侵染，有研究人員在陜西渭北合縣對所種植小麥品種進行抗病性鑒定，并選育晉麥54號、晉麥47號等品種在當地進行種植，結果顯示當年小麥黃矮病的發生相對較輕[29]。在青海省，有研究表明甘A100、蘭麥-2對于小麥黃矮病具有較好的抗病性[34]，在晉南冬麥地區，臨抗1號新品種的種植對于小麥黃矮病具有較好的抗病性[35]。

2 BYDV基因組結構及功能

BYDV為正義單鏈RNA分子，基因組大小約為5.7 kb，包含6個開放閱讀框（Open reading frame, ORF）和4個非編碼區（Untranslated region,UTR），基因組5′端無帽子結構，3′端無多聚腺苷酸Poly（A）尾巴（圖4），也不折疊成類似tRNA 的結構[14,25-26,36]。

圖4 BYDV基因組結構[25]Fig. 4 BYDV genome structure[25]

基因組結構內存在部分序列的重疊，ORF1編碼蛋白P1，P1蛋白的功能尚不明確[25]，結構上ORF2與ORF1存在序列的部分重疊，ORF2編碼蛋白P2，P2不能獨立表達，蛋白P2與蛋白P1的融合表達與基因組的復制能力有關[26]，曾有研究人員報道蛋白P1內含有解旋酶，但后期研究并未驗證這一結果[25-26]。ORF3編碼其外殼蛋白（Coat protein, CP），分子量大小為22 ku，CP是BYDV病毒粒子表面的主要成分，與病毒的蚜蟲傳播專化性密切相關[37]。ORF4包含于閱讀框ORF3中，兩者之間存在序列的重疊，ORF4編碼病毒的運動蛋白（Movement protein, MP），其蛋白分子量大小為17 ku，與病毒在植物組織細胞內的運動有關，可幫助病毒穿透植株的韌皮部細胞，從而對植株造成傷害，影響植株的正常生長發育，運動蛋白的研究與病毒的致病性、寄主范圍、毒性有相關，MP的缺失會影響病毒對植株的系統侵染[38-39]。ORF5編碼蛋白P5，位于CP的末端，與CP蛋白通讀形成通讀蛋白（Read through protein, RTP）而非融合蛋白，主要存在于病毒表面，部分研究表明通讀蛋白與病毒的蚜蟲傳播專化性有關，近年來有研究表明該蛋白也會影響病毒在植株體內的穩定、擴散以及積累[40-41]。ORF6編碼蛋白P6，位于基因組3′端，目前對于蛋白P6的功能尚不明確，部分研究發現其可能與病毒的復制有關[25-26]，此現象還未得到進一步的證實。

目前我國已完成BYDV-GAV基因組全序列的克隆[15]，且對于其基因功能的研究也較為完善。基因組水平上不同蛋白功能的研究對于該病害的研究提供了更多的理論支持，CP、MP、RTP的相關研究對該病毒的復制、傳播、積累、蚜蟲專化性等方面具有重要作用。目前，該病毒基因功能的研究存在部分欠缺，對于單個基因功能尚不明確的研究還有待進一步推進。

3 BYDV-GAV抗性鑒定、抗病基因鑒定

3.1 抗性鑒定

抗病性是植物對病害的抗耐受程度的一個評價標準，是培育抗病植株不可或缺的一項重要指標[42]。抗病性鑒定是植物抗病育種的一個重要評價方式。小麥、青稞、燕麥對小麥黃矮病的抗性鑒定主要通過堆測法和人工接種兩種方法進行[34-35]，以病害平均嚴重度和病情指數兩個指標作為抗病性評價標準。

根據病害平均嚴重度可分為6個標準：平均嚴重度=0為免疫（I），0≤平均嚴重度＜1為高抗（HR），1≤平均嚴重度＜2為抗病（R），2≤平均嚴重度＜3為中抗（MR），3≤平均嚴重度＜4為感病（S），平均嚴重度≥4為高感（HS）[19,43]。根據病情指數分為3個標準：病情指數≥50為高感，20＜病情指數＜50為感病，病情指數≤25為耐病[44]。曾有學者通過人工接種法對不同青稞品種進行小麥黃矮病的抗病性評價，根據病害平均嚴重度評價得到供試25份青稞品種中只有1份表現為抗病[10]。另有學者對部分燕麥品種進行了抗小麥黃矮病評價，同樣以病害嚴重度作為劃分標準，結果表明所采集的33份燕麥品種中有10份品種抗小麥黃矮病[19]。在小麥對BYDV-GAV的抗性鑒定方面，有研究人員通過推測法并依據病情指數對231份小麥品種進行了抗病性評價，得到其中5個品種具有較好的抗性[45]。更多抗病品種的選育是目前該病害防治工作的重要途徑。

3.2 抗性基因鑒定與標記

目前，雖未在小麥屬內發現對BYDV的良好抗源及抗性基因，但在其近緣種中發現并鑒定出多個抗性基因，且已有學者通過生物技術將該基因導入到小麥中，培育出多個小麥抗黃矮病品系[46-48]。

最早由中國學者和法國學者通過導入抗BYDV染色體培育的L1抗源高抗BYDV-GAV，以L1為主要抗源，通過雜交、回交等基因工程技術目前培育出了多個抗黃矮病品種。BYDV抗性基因相關研究表明，其抗性基因主要集中在3組染色體上，其中定位在7Ai和2Ai染色體上的抗性基因被廣泛應用，在此項研究之前發現的抗性基因Yd1、Yd2、Yd3曾被應用于生產中，但因其不穩定性，造成該抗性基因應用范圍較窄[47]。抗病基因的開發對于小麥黃矮病的防治具有重要意義。張增艷等學者研究發現小麥親緣種——中間偃麥草對BYDV具有良好的抗性，該物種包含至少兩個抗BYDV的基因，分別定位到第7組和第2組染色體上，其中精準定位在中間偃麥草7X染色體上的一個抗性基因被命名為Bdv2[49-50]，在此研究基礎上，利用各種雜交技術培育出了多個抗小麥黃矮病小麥-中間偃麥草易位系，并在易位系YW462中檢測到抗小麥黃矮病基因Bdv2的存在[51]。有研究人員以小麥抗黃矮病易位系YW462為主要材料，通過基因組學等方法獲得了重要的抗BYDV候選基因TiRB，該基因的發現擴大了BYDV抗性基因的來源，為抗病品種的培育提供了更廣闊的研究背景。除中間偃麥草外，還發現小麥的近緣種-多枝賴草，對于小麥黃矮病具有較高的抗病性，通過進一步實驗發現多枝賴草與普通小麥的雜交后代Line24對BYDV-GAV具有良好的抗病性。也有學者發現小麥近緣種-無芒中4也是BYDV-GAV的一種良好抗源[52-53]。

近年來，分子標記技術不斷創新進步，分子標記對于抗病基因的確定、抗病基因的導入、抗病品種的培育和新品種的抗性鑒定具有重要作用，興起的SSR、RFLP、RAPD等標記技術已被廣泛應用于抗病基因的篩選與定位[54-55]。傳統的抗病基因鑒定方法主要為表型鑒定，但該方法存在一定的局限性，無法準確及時的表達該抗性基因。其他分子技術如PCR標記、RFLP標記等分子水平的標記鑒定雖能準確鑒定抗病基因的存在，但分子水平的標記鑒定技術要求水平較高、鑒定程序較為繁瑣，對于抗病品種的鑒定培育存在一定困難。此外，抗病基因導入進鑒定標記后能否一直存在，是否會丟失仍需要進一步研究確定。

4 問題與展望

目前，對于BYDV-GAV各蛋白功能的研究還有部分欠缺，如蛋白P6的功能到目前為止尚不明確。且各蛋白干涉載體的建立以及其單克隆抗體的制備都具有一定的研究前景[56]。

BYDV-GAV雖為我國的主要流行株系[14]，但我國BYDV株系較多，對于各株系間的鑒定除血清學鑒定、分子鑒定等方式外未開發更簡便有效的鑒定方式。

BYDV對麥類作物為害嚴重，植物發病對應著防治，因此對該病害的防治也是目前最為緊要的任務。“預防為主，綜合治理”的植保方針同樣適用于病毒病害的防治，有害生物綜合防治是病害防治的重要理念，農業、物理、化學、生物等的綜合應用可有效預防病害的發生為害[57]。對于小麥黃矮病的防治除利用選育抗病性較高品種、選育各種易位系及附加系外，還可利用化學防治中殺蟲劑與病毒必克的混用噴施，但化學防治對生態環境造成一定程度的污染，因此新型無污染藥劑的研究也是小麥黃矮病防治的一項突破。在抗病品種培育方面，截至目前未在小麥屬內發現BYDV-GAV的抗性基因，確定的主要抗性基因Bdv2來源于小麥親緣種-中間偃麥草[49-51]，因此小麥屬內和小麥近緣種內抗性基因的鑒定仍是研究的一個重要方向。由目前小麥黃矮病抗病育種現狀分析可見，篩選更多的抗性基因，拓寬抗性基因的來源，將篩選出的一個或多個抗性基因導入小麥中都是小麥黃矮病抗病育種的可選途徑[28,58]。