麥瘟病與小麥抗麥瘟基因研究進展

王士臻， 王教瑜， 王艷麗， 孫國倉

(農產品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室， 浙江省農業科學院 植物保護與微生物研究所， 浙江 杭州 310021)

小麥是世界三大主要糧食作物之一，種植面積大、分布范圍廣，是世界范圍內種植最為廣泛的禾本科作物。2017年全世界小麥產量達7.71億t，僅次于玉米。然而，由于病害的影響，每年造成的小麥產量損失高達10%，成為危害糧食安全的重要因素。

小麥麥瘟病，1985年，首次發現于巴西，主要危害小麥穗部，由稻瘟病菌小麥專化型(Magnaportheoryzae， sp.Triticum， MoT)侵染引起[1]。隨后，該病原菌傳播至相鄰的南美國家和地區[2-3]。由于該病害主要危害小麥穗部，一旦受到侵染，會直接造成產量損失[1，4-5]。巴西一半的小麥產區受到麥瘟病危害[1]，巴拉圭、玻利維亞等地區2009年由麥瘟病導致的小麥產量損失在50%左右[6-7]。有研究表明，即使在使用農藥的情況下，2005年巴西小麥依然減產14%～32%[7]。抽穗期如遇高溫高濕天氣，受害情況會更加嚴重。該病害已成為南美小麥產區的重要病害，威脅當地小麥生產安全。由于沒有有效的防治措施，為防止麥瘟病進一步擴散，當地政府只能焚燒數百公頃的病區小麥，給當地經濟帶來了嚴重的損失。自發現以來的30年，麥瘟病一直只在南美州地區流行傳播。然而，2016年，麥瘟病首次出現在亞洲的孟加拉國，2017年，該病害傳播至印度[8]。對亞洲乃至全世界的小麥生產形成了潛在威脅。

近年來，世界各國的科學家對麥瘟病進行了廣泛和深入的研究，在麥瘟病菌的起源、麥瘟病趨勢預測、麥瘟病抗病基因、無毒基因的鑒定以及小麥-麥瘟病菌互作方面取得了較大進展。目前我國還沒有麥瘟病發生的報道，但部分地區存在麥瘟病的發病條件，隨著全球氣候變暖有暴發麥瘟病的可能，應引起重視。本文綜述了麥瘟病的病原菌、發病過程與發病條件、抗病基因和無毒基因，以及小麥-麥瘟病菌互作等方面的研究進展。以期為加快我國麥瘟病發病機理和小麥抗性育種研究提供參考，并為預防我國麥瘟病的發生未雨綢繆。

1 病原菌及其危害

麥瘟病是由梨孢菌小麥專化型(Magnaportheoryzae， sp.Triticum， MoT) 引起，無性態為灰梨孢菌 (Pyriculariaoryzae)，可侵染50多種禾本科植物，包括水稻、大麥、燕麥等栽培植物，以及牛筋草、狗尾草、馬唐等雜草。根據寄主植物的不同，梨孢菌可被分為不同的專化型，如侵染燕麥(Avenasativa)的Avena專化型(MoA)；侵染水稻(Oryzaesativa)的Oryzae專化型(MoO)；侵染穇子(Eleusinecoracana)的Eleusine專化型(MoE)；侵染狗尾草(Setariaviridis)的Setaria專化型(MoS)；以及侵染小麥(Triticumaestivum)的Triticum專化型[1，8-10]。其中，由稻瘟病菌水稻專化型(M.oryzae， sp.Oryzae， MoO) 引起的水稻稻瘟病一直以來都是水稻生產上的重要病害，在全世界80多個水稻種植區均有發生。該病害可對整個水稻生育期造成侵害，形成葉瘟、穗瘟、穗頸瘟等。全世界每年由于稻瘟病而造成的水稻產量損失相當于損失10%～30%的水稻種植區面積，近50億美元[11]。

稻瘟病菌侵染的生物學過程研究相對較多，該菌喜適溫高濕的環境條件，常被發現于深水稻田中[12-13]。在適宜的環境下，稻瘟病菌形成梨形的分生孢子，利用分生孢子侵染水稻的葉片和穗部，以菌絲體和分生孢子的形式在病谷及病稻草上越冬，翌年作為初侵染源侵染作物。麥瘟病原菌形態上與稻瘟病原菌相同，與稻瘟病不同的是，田間小麥葉瘟則并不常見，只有高感的小麥品種受麥瘟病菌侵染時才能觀察到葉瘟病斑[7]，因此，當能夠觀察到麥瘟病發生時，穗部已經受到麥瘟菌的侵染，呈現出蒼白干癟的病狀，加大了麥瘟病的防治難度。

2 麥瘟病菌的侵染過程及病狀

Cruz等[14]研究發現，在小麥葉片受侵染時，與水稻幼葉容易受稻瘟菌侵染不同，小麥老葉更易被麥瘟菌侵染。小麥葉片或穗部受侵染后呈現出典型的梭形病斑，受侵染的小麥基部葉片上能夠產生數萬至數十萬孢子。

葉片侵染過程：麥瘟病菌菌株孢子懸浮液接種小麥葉片6 h后，在近軸葉片上開始發芽，12 h后開始分化出芽管以及附著胞，12～24 h后，附著胞附著部位葉片表面的蠟質消失，36～72 h后，形成侵入釘，同時附著胞和孢子逐漸干癟萎縮[6]。葉片受麥瘟病菌侵染后呈現出梭形病斑，外緣有明顯的邊界線(圖1-A)，嚴重時病斑呈現出綠色水漬狀。

穗部侵染過程：同樣該病原菌孢子懸浮液接種穗部72 h后，可見大量菌絲侵入花軸，同時向上向下擴展，引起穗部變色。120 h后，菌絲從侵染的花軸組織擴展到外表皮以及髓部薄壁組織。168 h后，菌絲侵入木質部導管、薄壁組織以及表皮。菌絲在花軸細胞同時向內外擴展，甚至突破細胞壁，徹底摧毀麥穗[6]。穗部受侵染時，病原菌一般從穗軸侵入，受侵染的穗部全部或部分死亡，呈白色干枯、谷粒干癟或無籽粒狀態(圖1-B)，直接影響小麥產量。

3 麥瘟病發生條件

氣候條件是麥瘟病大規模發生以及流行的重要因素。經研究發現，麥瘟病發生流行的最佳溫度范圍是25～30 ℃。高溫并伴有長時間的降雨，則比較容易大規模暴發麥瘟病，南美洲麥瘟病暴發流行地區的氣候特點是長期或者突然遭遇到高溫高濕的極端氣候，如玻利維亞、巴西等[3，15]。同樣，Islam等[16]研究認為2016年麥瘟病在孟加拉國暴發流行是由于當地氣溫相較2015年升高了1.8～6.5 ℃，除此之外，揚花期降雨更加重了麥瘟病的發生概率以及發病程度。 隨著全球氣候變暖加劇、病原菌菌株的不斷進化，麥瘟病在南美及南亞以外地區傳播與流行的可能性還將持續增加。

4 麥瘟病抗性基因及無毒基因的鑒定與定位

自1985年首次報道麥瘟病以來，研究者們對世界不同地區的小麥種質資源進行抗性鑒定以及抗性基因定位。

4.1 抗性基因的定位

截至目前，在小麥中一共鑒定出9個抗性基因(表1)，包括Rmg1(又名Rwt4)、Rmg2、Rmg3、Rmg4、Rmg5、Rmg6、Rmg7、Rmg8、RmgGR119。Rmg1(Rwt4) 是針對Avena致病型菌株Br58具有抗病性并被定位于日本小麥品種N4(農林4)1D染色體，該基因在高溫(27～29 ℃)亦可發揮作用，與之關聯的無毒基因(AVR-gene)為PWT4[17]。Zhan等[18]利用Triticum致病型病原菌Br48對小麥品種Tatcher進行葉片接種，發掘抗性基因Rmg2和Rmg3并分別定位于7A和6B染色體，但該基因在高溫或穗部的抗病性較弱[19]。Nga 等[20]在小麥品種N4以及RE(Red Egyptian)中發現針對稻瘟菌Digitaria致病型菌株Dig41的抗性基因Rmg4、Rmg5并定位于4A和6D染色體。Rmg6對Lolium致病型菌株TP2具有抗性，定位于小麥品種N4的1D染色體[21]，相關的無毒基因為PWT3。Tagle等[19]在四倍體小麥品種St17/St24/St25中發現對Triticum致病型菌株Br48具有抗性的基因——Rmg7，該基因在穗部有較好的抗性表現，并將其定位于St24的2A染色體。此外，Anh 等[22]在六倍體小麥S-615中鑒定出抗性基因Rmg8，定位于2B染色體，該基因在葉片、穗部抑或是高溫都能夠表現出較強的抗病性。Wang等[23]在小麥品種GR119中鑒定出抗性基因——RmgGR119，該研究表明GR119中含有兩個抗性基因，分別為Rmg8以及RmgGR119。

然而，上述已鑒定的抗病基因均存在一些缺陷，例如：Rmg2和Rmg3在高溫或者穗部的抗病性較弱；Rmg7則是在高溫下抗病性表現不顯著等等。

4.2 麥瘟病菌無毒基因的鑒定

植物與病原菌之間的不親和性符合基因對基因(gene-for-gene)學說[24]，該學說是解釋植物與病原菌之間抗性互作的理論基礎，在稻瘟菌已鑒定出40多個AVRgene，其中19個被成功克隆[25]。

目前，在與小麥互作的梨孢菌中鑒定的AVR-gene共有3個，PWT4、PWT3(A1)以及AVR-Rmg8(表 1)。稻瘟菌Avena致病型菌株Br58中鑒定并克隆的無毒基因PWT3和PWT4，其中PWT4與Rmg1互作[17]；Lolium致病型菌種TP2中的無毒基因同樣鑒定到與Rmg6互作的無毒基因，PWT3[21]；Rmg7與Rmg8均與AVR-Rmg8相互識別[26]。其中，Inoue等[27]認為，攜帶PWT3的菌株是造成巴西麥瘟病大暴發的重要因素。此外，Asuke等[28]在進行梨孢菌穇屬致病型(MoE)與小麥的非親和互作的相關研究中發現，該致病型菌株至少存在5個無毒基因與小麥中的抗性基因互作。

表1 小麥中已鑒定的抗性基因

5 小麥抗麥瘟病能力評價方法

麥瘟病抗性基因鑒定一般分為兩種：苗期葉片抗性鑒定與成株期穗部抗性鑒定。在實驗室條件下，葉瘟的發病程度常常作為判斷小麥材料抗感差異的評價體系。

苗期葉片抗性鑒定是利用活體接種法，即在接種前一天將小麥第一葉葉片固定在透明背板上，將調整好濃度的病原菌孢子懸浮液均勻噴施在葉片上。黑暗保濕培養24 h，之后將接種后的小麥繼續光暗交替培養3～5 d。通過觀察病斑大小、發病程度以及葉片顏色等表型，判斷小麥苗期抗性等級。根據病斑大小從0到5可被分為6個等級[23]：0，沒有明顯可見的侵染點；1，針孔型斑點；2，小的病斑(<1.5 mm)；3，病斑中等大小但分布稀疏(<3 mm); 4，大而典型的病斑；5，葉片完全枯萎。此外，還需要明確病斑顏色，如B代表褐色，G代表綠色。例如，侵染類型3B代表中等大小的褐色病斑。等級0～5并為褐色病斑被定義為抗病，而3G、4G、5G則被定義為感病(圖2)。

由于小麥麥瘟病是穗部病害，因此，小麥穗部的抗性表現被認為是判斷抗性基因抗病能力以及抗性基因是否穩定表達的依據。穗部抗性鑒定與苗期鑒定基本相同，將收集到的麥穗插入含有清水的試管中，并將一定濃度的孢子懸浮液均勻噴施在小麥穗部(包括穗頸)。黑暗保濕培養24 h，之后將其取出，繼續光暗交替培養7～10 d。通過記錄病斑大小、發病程度以及穎片顏色等表型觀測發病情況，明確抗性等級。與葉片等級相似，根據病斑大小從0到5可被分為6個等級[19]：0，沒有明顯可見的侵染點；1，針孔型斑點；2，小的病斑(<1.5 mm)；3，病斑中等大小但分布稀疏(<3 mm); 4，白綠色病斑且無明顯由于過敏性反應而產生的褐色病斑；5，麥穗完全枯萎。侵染等級0-3被定義為抗病，而4和5則被定義為感病(圖3)。

此外，我們利用浙江省采集的稻瘟菌株對國內收集的小麥品種進行了初步篩選。結果發現，大部分的小麥品種，包括葉片和穗部，均可被稻瘟菌侵染，并形成典型的瘟病病斑。這表明我國小麥對稻瘟菌株并不存在集體免疫的情況，隨著稻瘟菌株不斷變異，在合適的環境條件下，國內的稻瘟菌株可能發生寄主躍遷，侵染小麥，威脅我國小麥安全生產。

6 梨孢菌與小麥間的互作

日本神戶大學Yukio Tosa團隊研究發現，寄主跳躍是梨孢菌侵染小麥的契機，推測是由于80年代初巴西廣泛種植rwt3小麥，為攜帶PWT3的某些稻瘟病菌的存在及繁殖提供了便利條件。PWT3為稻瘟菌株Br58中分離鑒定的無毒基因，與之互作的抗病基因為Rwt3，該研究表明這些含有rwt3的小麥品種是侵染黑麥草屬 (Lolium)的稻瘟菌株發生寄主跳躍的一塊跳板，使梨孢菌成功侵染小麥，導致巴西麥瘟病大暴發[27]。Asuke等[30]研究發現，在所有Eleusine(Ec-II) 致病型菌株中均存在具有功能的PWT3等位基因，可被Rwt3識別，在對P.oryzae的不同致病型，如Eleusine、Lolium以及Avena的互作中具有制約作用，證明Rwt3是小麥中重要的抗性基因。此外，該團隊早期鑒定的抗病基因Rmg8，被認為是針對麥瘟病原菌抗病能力強且穩定的抗性基因，Wang等[23]研究表明，RmgGR119可與Rmg8協作，無論在苗期還是穗期，抑或是高溫情況下均可表現出完全抗病性。然而，Inoue等[31]發現PWT4對抗病基因Rmg8的表達具有抑制作用，同時PWT4關聯的抗性基因Rwt4可以抵消PWT4對Rmg8的抑制作用。通過此次的研究發現，Rmg8的抗性可能被削弱，進一步加大了麥瘟病全球暴發的風險以及防治難度。

7 問題與展望

在麥瘟病發生之前，1936年的報道稱麥瘟菌早已在巴西存在[5]；發生麥瘟病后，美國肯塔基州立大學研究人員曾在美國發現受麥瘟病菌侵染的小麥植株，該菌株(MoL)在美國已存在16年之久[15]。然而，美國并沒有發生麥瘟病的大流行推測可能是由于氣候條件目前還不適宜麥瘟病的流行。

周益林等[32]、曹學仁等[33]研究分析認為，我國云南、廣東、廣西以及海南等具有高溫高濕氣候條件的地區存在暴發麥瘟病的潛在可能，隨著全球溫度升高，高溫高濕的氣候加劇，無疑為該病害提供了傳播、流行的有利條件，無論我國或是全球遭受麥瘟病原菌侵害的地區將進一步擴大。盡管目前我國還未有小麥受麥瘟病原菌侵染的報道，但基于我們前期的研究(資料未發表)，大部分的稻梨孢菌均可侵染我國大多數的小麥品種。此外，我們還發現除了大部分小麥易受侵染之外，某些來自同一地區的小麥表現出良好抗病性，我們推測該抗病性由同一個抗性基因控制，結合Wang等[23]對世界范圍內收集的520多個小麥品種進行初篩選時的報道，520個小麥品種中僅有20多個品種表現出抗性，且其中18個小麥品種的抗病性均只由Rmg8控制。由此可見：(1)我國的小麥品種從種質而言有被麥瘟菌侵染的可能性或者稻梨孢在氣候條件適宜的情況下，存在類似巴西麥瘟病菌發生寄主跳躍的可能；(2)無論從世界范圍內還是我國的小麥種質資源來看，小麥本身存在的梨孢菌抗性基因均十分稀缺，且較為單一，進一步加大了麥瘟病在我國或是全球流行的風險。

由于目前針對麥瘟病并沒有行之有效的防治方法，因此，選育和利用抗病品種被認為是當前既經濟且環境友好的防治措施，能夠有效減少病害帶來的直接或間接損失。而在實際生產中，若大面積、長時間使用含有單一抗性基因的抗性品種，隨著致病菌種的變異，小麥致病小種上升，最終往往導致抗性喪失。Wang等[23]提出由于Rmg8是存在范圍較廣且抗病能力較強的一個抗病基因，RmgGR119與Rmg8同時存在時，彼此的協同作用進一步促進了抗性基因的表達，因此，在選育抗性品種時，應考慮將RmgGR119和Rmg8同時轉入小麥品種中，以實現抗性能力的疊加，且多種抗性基因的富集不易使寄主抗性喪失。此外，小麥麥瘟病是穗部病害，抗病基因是否可以在穗部良好表達直接影響發病嚴重程度以及小麥產量。因此，尋找廣譜、高效且能在穗部良好表達的抗病基因仍是目前針對麥瘟病抗病育種的關鍵。

在2011年APS國際會議上，Duveiller等[34]曾通過分析預測印度、孟加拉國以及埃塞俄比亞存在暴發麥瘟病的潛在風險。如今麥瘟病已在孟加拉國及印度相繼發生，再一次證明了該病害可以在南美洲之外的任何環境適宜的地區傳播、流行及暴發。下一個受侵害的國家會是埃塞俄比亞，還是其他國家或地區？孟加拉國會不會是第二個“巴西”？我國與孟加拉國鄰近、與印度接壤，小麥年產量居世界首位，若麥瘟病成功入侵我國，勢必會給我國小麥帶來嚴重的威脅。全球性氣候變暖，厄爾尼諾現象頻發，均為該病害提供了傳播、流行的有利條件，無疑將會加劇麥瘟病的傳播與暴發風險，使其在全球包括中國的潛在分布范圍進一步擴大，因此，加強麥瘟病研究，增加對該病的了解和知識儲備，方可防患于未然。

綜上，本研究認為，我國的研究者應盡快開展對麥瘟病的發生、防治、流行等方面的研究。首先應針對我國現有的小麥品種進行抗病性評估，針對具有抗性表現的小麥品種，發掘、定位抗性基因，為抗性品種育種提供理論基礎。其次，還應對小麥-麥瘟病菌間的互作機制進行研究，分離和鑒定病菌中的相關致病基因，為尋求有效防治方法，提供分子理論基礎，為麥瘟病的防治以及選育持久有效抗性品種奠定必要的基礎。最后，研究者或研究機構也應加強同麥瘟病發生國以及麥瘟病研究中心的技術交流與合作，加強基礎研究，實現優質育種，為我國預防麥瘟病發生做出準備。