玉米南方銹菌在玉米品種上的相對寄生適合度研究

黃莉群 張克瑜 李磊福 董佳玉 孫秋玉 鄧 杰 馬占鴻

(中國農業(yè)大學 植物保護學院，北京 100193)

玉米南方銹病是由多堆柄銹菌PucciniapolysoraUnderw.引起的一種氣傳病害，該病在世界各地均有發(fā)生[1]。中國發(fā)生的玉米銹病主要有玉米普通銹病和玉米南方銹病，玉米銹病在中國發(fā)生危害逐年嚴重，其中玉米南方銹病發(fā)生范圍廣危害程度大[2-3]。1972年玉米南方銹病在海南省樂東黎族自治縣尖峰地區(qū)首次被發(fā)現(xiàn)，隨后1974年和1979年，在海南省的陵水和崖縣等地也相繼發(fā)現(xiàn)了此病害[4]。劉俊等[5]曾通過對近20 個省調查和資料整理發(fā)現(xiàn)玉米南方銹病在黃淮海夏玉米區(qū)和海南省發(fā)生較重，廣東、廣西次之，西南玉米區(qū)也有少量發(fā)生。2018年Liu等[6]使用Crouch等[7]發(fā)表的Real-time PCR檢測玉米南方銹菌的方法，將中國黃淮海地區(qū)發(fā)生的玉米銹病類型確定為玉米南方銹病。Ramirez-Cabral[8]利用CLIMEX模型預測在氣候變化下玉米銹病在全球的發(fā)生風險水平，結果顯示玉米南方銹病在北半球呈蔓延趨勢。

玉米南方銹病可引起玉米產量的較大損失。1949年玉米南方銹病在西非暴發(fā)流行，造成超過50%損失[9]；Melching等[10]在1975年報道玉米南方銹病在美洲地區(qū)暴發(fā)流行，Rodriguez-Ardon等[11]和Raid[12]通過對玉米南方銹病的試驗研究發(fā)現(xiàn)，玉米南方銹病嚴重時損失最高分別可達45%和39%。1972—1974年，該病害在美國大暴發(fā)，造成的產量損失達30%到50%[13]。玉米南方銹病雖然在中國發(fā)現(xiàn)較晚，20世紀90年代以后該病在中國的發(fā)生逐漸開始北移，對中國多地玉米生產帶來嚴重危害，成為夏玉米區(qū)的一種破壞性病害，流行時減產達10%以上[14]。田耀加等[15]對廣州鮮食玉米調查后發(fā)現(xiàn)，玉米南方銹病除冬季休耕外持續(xù)危害玉米直至生長中后期，尤以7月和11月發(fā)生最嚴重，發(fā)病率近100%。

推廣抗病品種是玉米南方銹病綜合防治中最經濟、環(huán)保、高效的措施，然而，已知抗玉米南方銹菌的抗病基因較少[16-18]。了解玉米南方銹菌的變異是選育和利用抗病品種的前提。東非曾發(fā)現(xiàn)3 個生理小種(EA1、EA2、EA3)[19-21]；Robert[22]發(fā)現(xiàn)與EA1、EA2、EA3不同的6 個小種(PP.3、PP.4、PP.5、PP.6、PP.7、PP.8)；1965年Ullstrup[23]在南非發(fā)現(xiàn)了第10 個生理小種PP.9；Casela等[24]在巴西利用商用玉米品種鑒定出多個致病型。中國除葉忠川[25]在臺灣省發(fā)現(xiàn)13 個生理小種外內地玉米南方銹病的變異情況尚不清晰。因為對中國各地區(qū)菌株的致病性分化和生理小種等情況不清楚，所以劉駿等[5]對中國玉米南方銹病發(fā)生區(qū)域和玉米品種田間抗性所進行的研究無法綜合考慮病菌致病性分化或生理小種存在地理性差異；袁紅霞等[26]在對田間玉米品種抗性水平評價時也曾表明綜合多地區(qū)菌源會使評價結果更加科學。由于玉米南方銹菌的變異情況尚不清楚，不利于建立以選育抗病品種為核心、以農業(yè)防治和化學防治為輔助的綜合防治體系[27]。對玉米南方銹菌的寄生適合進行分析和供試玉米品種進行抗性評價對于抗病品種科學布局和將來選育抗病品種都具有一定意義，因此本研究擬在缺乏玉米南方銹菌鑒別寄主體系的情況下，以不同地區(qū)獲得的玉米南方銹菌為研究對象，采用田間試驗的方法，在研究中國玉米南方銹菌寄生適合度的同時對試驗品種進行抗性評價，以期為致病型研究和品種科學布局提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種共28個，分別為荃玉1233，貴卓玉9號，迪卡517，鄭單958，隆平206，明天695，偉科702，登海3737，鄭黃糯2號，登海685，天貴糯937，天貴糯932，美玉7號，美玉11號，浚單20，先玉335，聯(lián)創(chuàng)808，登海605，裕豐303，鼎優(yōu)919，粵甜28號，廣糯2008，超甜銀栗2號，華珍，甜糯8號，特優(yōu)998，中農甜414，粵甜9號。

供試玉米南方銹菌菌種采自海南三亞、廣東河源、廣西桂林、廣西河池、云南玉溪、湖南邵陽，其中：海南菌株經溫室人工擴繁并收集夏孢子備用；其他地區(qū)菌株為直接從田間病株樣品上刮取夏孢子備用。

1.2 試驗方法

1.2.1田間試驗設計

試驗于2019年7—9月在河南省開封市中國農業(yè)大學開封實驗站進行。2019年7月初播種玉米，播種前施足量有機肥，苗期注意除草防蟲。每個試驗小區(qū)為半徑1.8 和2.0 m的同心圓環(huán)，將28個玉米品種每種2株依次按圓環(huán)種植(圖1)，并做好品種標記。在每個小區(qū)的中心種植5株感病品種鄭單958，作為接種中心。每個處理重復3次，并設置無處理小區(qū)3個，作為空白對照，共21個試驗小區(qū)，來至相同地區(qū)的菌源為1個處理，每個處理有3個圓形小區(qū)作為3個重復，每個處理之間種植2 m保護行(品種：登海605，行距0.3 m)。

在半徑1.8 和2.0 m的同心圓環(huán)上種植28個玉米品種，并于2個圓環(huán)間插牌標記品種信息。A total of 28 maize varieties are planted on concentric circles with radius 1.8 and 2.0 m dividually, and labels are used to mark maize information planted between the two circles.圖1 玉米南方銹菌對玉米不同品種相對寄生適合度試驗小區(qū)設計Fig.1 Plot design of the relative parasitic fitness ofPuccinia polysora on different corn varieties

1.2.2田間接菌

田間接菌于玉米生長大喇叭口期進行。待接菌的玉米葉片先用百潔布擦除蠟質層，后將6 個地區(qū)各收集到的2 mg夏孢子用 5‰濃度的Tween-20水溶液1 L配制成孢子懸浮液，于傍晚噴霧接種于小區(qū)接種中心的感病品種葉片。接種后立即用保鮮膜覆蓋葉片保濕，并全田噴灌，提高田間濕度，12 h后去掉保鮮膜。

1.2.3病情調查

9月初，發(fā)病中心植株開始發(fā)病，15 d后小區(qū)玉米品種輕度發(fā)病。為減少小區(qū)間交叉感染的影響，在發(fā)病初期時即對每株玉米每個葉片進行病情調查。病情等級劃分采用袁紅霞等[26]評價玉米品種田間抗性的標準：0級，未發(fā)??；1級，葉片上有單孢子堆或少量孢子堆，面積少于6%；3級，發(fā)病輕，葉片孢子堆面積6%～25%；5級，中度發(fā)病，葉片孢子堆面積26%～50%；7級，中度發(fā)病，葉片孢子堆面積51%～75%；9級，發(fā)病葉片孢子堆面積76%～100%甚至葉片枯死。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗區(qū)植株普遍發(fā)病后，系統(tǒng)性逐葉調查病情等級，根據(jù)病情指數(shù)公式：病情指數(shù)(DI)=100×∑(各級病葉數(shù)×各級代表值)/(調查總葉數(shù)×最高級代表值)，求得各接種區(qū)在每個玉米品種上的病情指數(shù)，再計算同一品種在6 個接種區(qū)的病情指數(shù)平均值，以及同一接種區(qū)內28 個品種的病情指數(shù)平均值。根據(jù)公式：相對病指=供試品種的病指/感病對照品種的病指，相對抗病性指數(shù)(IRR)=1-相對病情指數(shù)，對品種進行抗性評價[28]?？共☆愋头譃楦呖笻R(0．80≤IRR≤1．00)、中抗MR(0．60≤IRR<0．80)、中感MS(0．40≤IRR<0.60)、高感HS(IRR<0．40)[26]。

相對寄生適合度參考曾士邁和王沛有發(fā)表的相對寄生適合度測定方法[29]：即玉米品種相對寄生適合度=供試玉米品種病情指數(shù)/最感病玉米品種病情指數(shù)，地區(qū)相對寄生適合度=各接種區(qū)病情指數(shù)/毒力最強接種區(qū)病情指數(shù)。根據(jù)相對寄生適合度(RPF)對玉米南方銹菌毒力等級進行劃分(0．80≤RPF≤1．00時為HV；0．60≤RPF<0．80時為MV；0．40≤RPF<0．60時為MA；RPF<0．40時為HA)，制定致病譜。

2 結果與分析

2.1 供試玉米品種抗性評價

依據(jù)各個鑒定品種在6 個地區(qū)的平均病情指數(shù)和IRR，對其進行抗性評價，結果見表1?？芍旱呛?05、美玉11號、聯(lián)創(chuàng)808、裕豐303、登海685、粵甜9號對玉米南方銹病抗性均達到高抗(HR)級別，且登海605表現(xiàn)最好；中農414、特優(yōu)998、天貴糯932、天貴937的玉米南方銹病抗性較差，均為高感(HS)級別，其中天貴糯937抗病性最差，可做感病對照；其余玉米品種對玉米南方銹病的抗性水平居中間類型。

2.2 不同地區(qū)玉米南方銹菌在玉米品種上的相對寄生適合度分析

根據(jù)表1中28 個不同玉米品種上的病情指數(shù)計算出對應的相對寄生適合度并分析致病譜(表2)。可知：不同來源的玉米南方銹菌在同一玉米品種上的相對寄生適合度存在較大差異，以鄭單958、鄭黃糯2號、美玉7號、裕豐303上為例。在鄭單958上，云南玉溪地區(qū)的玉米南方銹菌的相對寄生適合度為1.00(HV)，而廣東河源地區(qū)的玉米南方銹菌為0.25(HA)；在鄭黃糯2號上，海南三亞地區(qū)的玉米南方銹菌的相對寄生適合度為0.87(HV)，而廣西桂林、云南玉溪地區(qū)的分別為0.12(HA)、0.07(HA)；在美玉7號上，海南三亞地區(qū)的玉米南方銹菌的相對寄生適合度為0.87(HV)，而湖南邵東地區(qū)的為0.07(HA)；在裕豐303上，湖南邵東地區(qū)的玉米南方銹菌的相對寄生適合度為 0.66(MV)，而廣西桂林、云南玉溪地區(qū)的分別為0.00(HA)、0.10(HA)。不同地區(qū)玉米南方銹菌在同一品種上存在相對寄生適合度差異表明中國玉米南方銹菌不同群體存在致病性分化。

相較于其他地區(qū)的菌株，廣西河池菌株的相對寄生適合度為1，其存活、繁殖和傳播能力最強，說明其致病性最強；廣西桂林菌株的相對寄生適合度為0.52，兩地間的相對寄生適合度相差較大。海南三亞、云南玉溪、湖南邵東的菌株相對寄生適度分別為0.79、0.78和0.78，較為接近，各地菌株相對寄生適合度存在差異，也有一些地區(qū)菌株相對寄生適合度相似。

表1 不同地區(qū)來源玉米南方銹菌在不同玉米品種上的病情指數(shù)Table 1 Disease index of maize varieties infected by Puccinia polysora from different regions

表1(續(xù))

表2 不同地區(qū)玉米南方銹菌在不同玉米品種上的相對寄生適合度Table 2 Relative parasitic fitness of Southern Maize Rust in different regions

3 討論與結論

相對寄生適合度可用于比較玉米南方銹菌群體內不同生理小種在不同寄主品種上的數(shù)量波動和寄生適合程度，測定值表示在一定的時間和空間條件下某個生理小種相對于其它小種的存活、繁殖和傳播能力。根據(jù)同一玉米品種上存在的對不同菌株出現(xiàn)相對寄生適合度分化為HV和HA的現(xiàn)象推測玉米南方銹菌存在致病性分化，因此判斷在中國的玉米南方銹菌可能存在多個致病型。在本試驗中致病譜是病菌對寄主的選擇寄生范圍，致病譜不一致也說明病菌致病性存在分化，各地區(qū)致病型種群結構存在差異。葉忠川[25]1986年曾報道在中國臺灣省存在不同的生理小種，但中國其他地區(qū)未有玉米南方銹病在寄生適合度和致病性分化等方面的研究報道。進一步研究可借鑒Casela等[24]對巴西存在多個毒力類型進行研究的方法，即地區(qū)性相對寄生適合度較高(HV)對應玉米品種中選取高抗玉米品種(HR)，可作為區(qū)別致病型的玉米品種。本研究中有關玉米品種的抗性結論與劉駿等[5]和袁紅霞等[26]測定的結果抗性存在部分不一致，即品種的抗病性會因為菌系不同而變化，原因可能是本研究采用了不同地區(qū)來源的玉米南方銹菌，各地區(qū)的種群結構存在差異，因而本試驗綜合多地區(qū)菌源進行抗性評價更加科學。相對寄生適合度需要鑒別寄主體系對菌株進行鑒定，但現(xiàn)今沒有將單一抗病基因的玉米自交系作為成熟鑒別寄主體系，只能采用不同地區(qū)來源的菌株在不同玉米品種上接種作為初步探索，所以本研究也存在一定局限性。然而，在還沒有成熟鑒別寄主體系的情況下，借鑒國外方法探明各地區(qū)菌株的致病型種類和致病型的地理分布，對玉米南方銹病廣譜抗病品種選育仍具有一定意義。

相對寄生適合度的比較分析可推測中國玉米南方銹菌存在致病性分化，各地區(qū)致病型種群結構存在差異，不同地區(qū)的玉米南方銹菌其致病性由強到弱依次為廣西河池、海南三亞、云南玉溪、湖南邵東、廣東河源、廣西桂林。其次，不同玉米品種的抗病性由強到弱依次是登海605、美玉11號、聯(lián)創(chuàng)808、登海685、貴卓玉9號、明天695、裕豐303、荃玉1233、迪卡517、登海3737、隆平206、粵甜28號、粵甜9號、先玉335、偉科702、鼎優(yōu)919、廣糯2008、美玉7號、超甜銀栗2號、鄭黃糯2號、浚單20、華珍、甜糯8號、鄭單958、中農甜414、特優(yōu)998、天貴糯932和天貴糯937，致病性最強的菌株來自廣西河池，抗病性最好的品種是登海605。