石永紅,高鵬,2,方志紅,趙祥,韓偉,魏江銘,劉琳,李錦臻
(1. 山西農業大學草業學院,山西 晉中 030801;2. 農業農村部飼草高效生產模式創新重點實驗室,山西 晉中 030801;3. 大同千葉牧草科技有限公司,山西 大同 038200)
燕麥(Avena sativa)為禾本科一年生草本植物,是世界性栽培的糧飼兼用作物,分為裸粒型和帶稃型兩種,前者稱為裸燕麥(A.sativavar.nuda);后者稱為皮燕麥,亦稱飼用燕麥[1]。2020 年我國飼用燕麥種植面積約42.3×104hm2[2],是僅次于青貯玉米(Zea mays)和苜蓿(Medicago sativa)的第三大飼草植物。隨著國家“退耕還草”“糧改飼”和“發展草牧業”等政策的實施,飼用燕麥種植面積將逐年擴大,對優質、高產、抗逆性強的品種需求不斷增加[3]。但截至2021 年,通過國家審定的飼用燕麥品種僅15 個,其中引進品種高達11 個,每年從國外進口的飼用燕麥草種占種子生產總量的30%[2]。
在生產實踐中,引進的飼草品種普遍存在適應性差,尤其是抗病性不強等突出問題[4]。近年來,對我國山西、內蒙古、河北等燕麥主產區病害的調查發現,由禾谷炭疽菌(Colletotrichum cereale)引致的葉部炭疽病發生非常普遍,尤其在使用進口飼用燕麥品種進行大規模商業化連作種植的地區呈爆發流行特點,發病率最高達100%[5]。此外,該病害在美國、加拿大、巴西以及我國的新疆、青海、甘肅等燕麥主產區也有報道[6],已成為危害燕麥生產的世界性病害。鑒于飼草自身的特點及經濟、環境和食品安全等因素,選育和利用抗病品種是防控病害優先采用的方法,對保證草牧業綠色可持續發展具有重要意義[7]。但目前國內外尚未針對燕麥炭疽病選育抗病品種,我國也未對進口品種開展抗病性評價。
據統計,病、蟲、雜草等有害生物每年給全世界農業生產造成20%~40%的損失[8];20 世紀80 年代,美國每年因病害引致的各類草地生產損失率約26%[9]。已有研究證實,冠銹病(Puccinia coronataf.sp.avenae)[10-11]、白粉病(Erysiphe graminisf. sp.avenae)[12-13]等活體寄生真菌引致的葉部病害可使燕麥單位面積的籽粒產量降低2%~36%,草產量降低40%;殼多胞葉枯病(Stagonospora avenae)等兼性寄生真菌病害可使燕麥籽粒產量降低9%~20%[14]。對多種飼草植物的研究表明,葉部病害不僅造成草產量損失,而且嚴重影響其品質,降低粗蛋白、粗脂肪、鈣、磷、鉀等營養物質的含量[15-17]。相比農作物,飼草生產者對病害問題的了解和重視程度不高,尤其是炭疽病給世界范圍內燕麥生產造成的損失尚不明確。因此,研究炭疽病對飼用燕麥產量和品質造成的危害,有助于提升飼草生產者對病害問題的認識和重視程度,為確定病害防治經濟閾值以及政府決策提供科學依據[18]。
山西省是裸燕麥的起源地之一,也是我國飼用燕麥的主產區,燕麥種植面積約占全國的13%,其中80%以上為進口品種[19]。目前,炭疽病已成為該地區飼用燕麥上發生的最主要病害,嚴重影響燕麥草產品的飼用價值、經濟收益和種植者的積極性[20]。鑒于此,本研究選擇該地區對我國廣泛推廣種植的15 個進口飼用燕麥品種開展炭疽病的田間抗性評價,并以此為基礎,選擇感病品種評估炭疽病造成的危害損失,以期為飼用燕麥生產過程中品種選擇和炭疽病的防治提供理論依據。
試驗地點位于山西省朔州市朔城區山西農業大學紅旗牧場(39°11′59″ N、112°27′02″ E,海拔1139 m)。前期病害普查發現田間僅有炭疽病,且病原鑒定為禾谷炭疽菌[5]。該區域屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候,地勢平坦,土壤類型為砂壤土。年平均氣溫6.9 ℃,最高氣溫34.5 ℃,最低氣溫-32.4 ℃。年平均降水量423 mm,主要集中在6-9 月。試驗地土壤基本理化性質見表1。前茬作物為玉米。
供試的15 個進口飼用燕麥品種均在美國和加拿大登記注冊,并引進在中國大面積推廣種植,其中黑玫克(Haymaker,亦稱牧王)和愛沃(Everleaf)品種已通過全國草品種審定委員會審定,各品種名稱及來源見表2。

表2 燕麥品種及來源Table 2 Name and sources of oat varieties
試驗采用隨機區組設計,每個小區面積5 m×5 m,四周設1 m 的保護行。15 個飼用燕麥品種于2021 年5 月20 日播種,播種前精細整地,按照0.09 kg·m-2施足底肥[CH4N2O∶(NH4)2HPO4∶(NH4)3PO4=13∶10∶10],人工開溝并進行條播,行距20 cm,播深3~5 cm,播種量18 g·m-2。分別于苗期、拔節期進行灌溉和人工去除雜草。每個品種設3 次重復。
目前尚無燕麥炭疽病抗性鑒定的分級標準,基于前期病害調查基礎,并參照高粱(Sorghum bicolor)[21]、苜蓿[22]、黃麻(Corchorus capsularis)[23]等作物炭疽病的分級標準,分別以反應型和病情指數為指標制定了飼用燕麥炭疽病抗性分級標準,如表3 所示。

表3 飼用燕麥炭疽病抗性分級標準Table 3 Score of resistance to anthracnose of oat
飼用燕麥炭疽病為自然發病,于收獲前14 d,即8 月15 日(乳熟期)進行抗病性評價。采用“對角線法”調查各品種病害的發生情況,每條對角線隨機選擇50 株燕麥,每株分下部(0~10 cm)、中部(10~50 cm)和上部(>50 cm)隨機選擇1 片葉,觀察癥狀并拍照,記錄反應型,若發現有不同反應型,只記載最高反應型并賦值,便于進行聚類分析;采用“目視法”判讀病斑面積占葉面積的百分率,即嚴重度,嚴重度分級標準為:0 級,無癥狀;1 級,0.1%~5.0%;2 級,5.1%~25.0%;3 級,25.1%~50.0%;4 級,50.1%~75.0%;5 級,75.1%~100.0%[20]。統計發病葉片數并計算發病率和病情指數[15]。分別根據反應型和病情指數確定每個飼用燕麥品種對炭疽病的抗性。
為保證采集到充足的病害植株樣本,更好地反映炭疽病對飼用燕麥產量和品質的影響[15],選擇發病最為嚴重的科納品種,評價不同發病程度炭疽病對地上植株造成的危害損失,發病程度分級見表4。

表4 飼用燕麥炭疽病發病程度分級Table 4 Score of occurrence degree to anthracnose of oat
病害調查結束后,在每個科納品種種植小區隨機選擇200 株,齊地面剪下植株后帶回室內,立即采用“目視法”逐一判讀每一株上所有葉片的炭疽病嚴重度,計算病情指數,按照表4 所示劃分發病程度。每種發病程度植株留取20 株,使用直尺測量每株的絕對高度;然后將葉片、莖稈和穗進行分離,置于105 ℃烘箱中殺青30 min,再將樣品65 ℃烘干至恒重,分別稱量各器官干重。
將不同發病程度植株的各器官混合后,使用超純水沖洗3 次,置于75 ℃烘箱中烘干至恒重。將烘干樣品用高速粉碎機(DE-100g, 中國)粉碎后,使用球磨儀(MM400, Retsch, 德國)充分磨細,留取50 g 置于干燥皿中保存,用于常規營養成分的測定。
采用索氏脂肪提取法測定粗脂肪含量[24];采用Van Soest 纖維法測定中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量[25];采用凱氏定氮法測定粗蛋白含量;分別使用全自動流動分析儀(HGFI-10, 中國)和全自動氨基酸分析儀(L-8900, Hitachi, 日本)測定磷和總氨基酸含量;分別采用600 ℃高溫灼燒法和原子吸收光譜法測定粗灰分和鈣的含量[26]。
飼用燕麥地上全株用于飼喂牲畜,因此病害對單位面積草產量造成的損失即為對單株干重造成的損失,不同發病程度炭疽病的草產量損失率計算公式[15]如下:
飼料相對值是廣泛用于評價粗飼料質量的指標,該值越高,說明牧草的飼用價值越高,計算公式[26]如下:
式中:DM 為干物質(dry matter);BW 為動物代謝體重(body weight)。
飼用價值損失率計算公式如下:
用SPSS 22.0 對數據進行統計分析,用Origin 2021 作圖。使用最小顯著差數(LSD)法對不同品種發病率和病情指數以及不同發病程度的產量和品質指標進行單因素方差分析,差異顯著水平設為P=0.05。依據反應型、發病率和病情指數,對不同飼用燕麥品種抗性進行聚類分析,聚類距離采用歐式距離,聚類方法采用最長距離法,歐式距離7.0 作為聚類分割點[27];根據反應型法和病情指數法確定的抗性結果,確定聚為一類品種的抗病級別。對不同發病程度飼用燕麥的產量、品質指標、草產量損失率和飼用價值損失率與相應病情指數中值進行線性或非線性回歸分析[17,28],估計方程模型數。
15 份進口飼用燕麥品種均在7 月上旬開始發病,8 月中下旬達到峰值,且均觀察到炭疽病癥狀,其田間典型癥狀及反應型如圖1 所示。太陽神(OV1)、愛沃(OV2)、領袖(OV3)和蒙特(OV13)等品種的炭疽病病斑呈梭形,周圍有狹窄黃暈,屬抗病材料。黑玫克(OV4)、大富翁(OV5)、莫妮卡(OV7)、攝政王(OV8)、海威(OV10)、三星(OV11)、牧樂思(OV12)和魅力(OV14)品種的炭疽病病斑呈梭形,周圍有明顯枯黃癥狀,部分病葉的病斑可從葉尖端或邊緣逐漸擴展成長條形,屬低感材料;燕王(OV6)和夢龍(OV9)品種病葉的病斑呈大梭形或長條形,且相互融合形成大面積壞死斑,屬感病材料;科納(OV15)品種多數從葉尖端或邊緣發病,與密集的梭形或不規則病斑快速融合,導致整個葉片枯死,屬高感材料。

圖1 進口飼用燕麥品種炭疽病的田間典型癥狀及最高級反應型Fig.1 Typical symptom and infection type to anthracnose of oat varieties in field
15 份進口飼用燕麥品種的發病率和病情指數存在差異,分別為8%~44%和2.3~15.6(圖2)。科納(OV15)的發病率和病情指數均最高,且病情指數>15,顯著高于(P<0.05)除夢龍(OV9)以外的其他品種,屬高感材料;夢龍(OV9)的病情指數為11.8,屬感病材料;太陽神(OV1)、愛沃(OV2)、領袖(OV3)和蒙特(OV13)品種的病情指數分別為2.3、4.3、4.5 和2.9,均<5.0,屬抗病材料;其余品種均為低感材料。

圖2 進口飼用燕麥品種炭疽病的田間發病率和病情指數Fig.2 The disease incidence and disease index of anthracnose of oat varieties in field
采用發病率、病情指數和反應型3 個指標對15 份進口飼用燕麥品種進行抗性聚類分析(圖3)。結果表明,15 個品種共劃分為4 個大類,其中太陽神(OV1)、愛沃(OV2)、領袖(OV3)和蒙特(OV13)品種聚為一類,為 抗 病 材 料;莫 妮 卡(OV7)、攝 政 王(OV8)、海 威(OV10)、三星(OV11)、牧樂思(OV12)和魅力(OV14)品種聚為一類,為低感材料;黑玫克(OV4)、大富翁(OV5)、燕王(OV6)和夢龍(OV9)品種聚為一類,為感病材料;科納(OV15)品種單獨聚為一類,為高感材料。

圖3 進口飼用燕麥品種炭疽病抗性的聚類分析Fig. 3 Resistance clustering analysis to anthracnose of oat varieties
利用反應型和病情指數進行抗性評價時,除燕王(OV6)品種抗性表現不一致外,其余品種的抗性均相同;采用聚類法進行抗性評價時,黑玫克(OV4)和大富翁(OV5)品種的抗性與其余兩種方法不同,燕王(OV6)品種的與病情指數法的不同(表5)。

表5 進口飼用燕麥品種對炭疽病的抗性評價Table 5 The resistance evaluation of oat varieties against anthracnose
科納品種飼用燕麥發病植株的葉片干重、莖稈干重、穗干重和株高均隨發病程度的增加呈下降趨勢(圖4)。中度和重度發病植株的葉片干重較健康植株顯著降低12.7%和23.1%(P<0.05),莖稈干重較健康植株顯著降低25.5%和37.3%(P<0.05);重度發病植株的穗干重較健康植株顯著降低26.4%(P<0.05);中度和重度發病植株的株高較健康植株顯著降低11.3%和16.5%(P<0.05)。

圖4 科納品種飼用燕麥炭疽病不同發病程度植株的干重和株高Fig.4 Dry weight and plant height of Kona oat with different occurrence degree of anthracnose
隨發病程度的增加,科納品種飼用燕麥植株的粗蛋白、總氨基酸、粗灰分和磷的含量均呈下降趨勢,中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量呈升高趨勢,鈣含量呈先增加后降低趨勢(圖5)。中度發病植株的粗蛋白、總氨基酸、粗灰分、磷含量分別較健康植株顯著降低7.2%、26.5%、9.0%、12.8%(P<0.05),重度發病的植株則顯著降低11.1%、44.5%、16.0%、20.8%(P<0.05);中度發病植株的酸性洗滌纖維含量較健康植株顯著增加6.4%(P<0.05),重度發病植株的中性和酸性洗滌纖維含量則顯著增加11.9%、10.0%(P<0.05);中度發病植株鈣含量較健康植株顯著增加8.6%(P<0.05)。

圖5 科納品種飼用燕麥炭疽病不同發病程度植株的常規營養成分Fig.5 Nutritional content of Kona oat with different occurrence degree of anthracnose
如表6 所示,炭疽病對科納品種飼用燕麥的草產量和飼用價值造成不同程度的影響,損失率分別為7.5%~28.1%和3.2%~15.9%,且隨發病程度的增加,損失率呈逐漸增加趨勢,其中草產量損失率的差異達顯著水平(P<0.05)。

表6 炭疽病對科納品種飼用燕麥的草產量和飼用價值損失率Table 6 Loss ratio of dry yield and relative feed value to anthracnose of Kona oat (%)
回歸分析表明,科納品種飼用燕麥的地上生物量、株高、6 種常規營養成分、磷含量、草產量損失率和飼用價值損失率均與病情指數中值具有顯著的線性關系(P<0.05),鈣含量與病情指數中值呈顯著的二次函數關系(P<0.05)(表7)。

表7 炭疽病病情指數中值與科納品種飼用燕麥產量和營養成分等指標的回歸方程Table 7 Regression analysis between the middle value of disease index and the yield and nutrient content of Kona
病菌侵染寄主形成的病斑類型,即反應型,通常被認為是病菌和寄主之間親和程度的外部表現,能準確反映病菌的致病力強弱和寄主的抗性水平[29]。禾谷作物上發生的一些兼性寄生真菌病害,如小麥(Triticum aestivum)和大麥(Hordeum vulgare)葉枯病(Bipolaris sorokiniana)[30-31]、玉米灰斑病(Cercospora zeay-maydis)[32]等,以反應型為依據完成了不同品種的抗病性鑒定。但反應型在植物炭疽病抗性研究上的應用不多[23],在燕麥炭疽病研究中尚未見報道。過敏性壞死是寄主植物限制病原侵染產生的一類抗病反應[33],依據病原類型和致病方式的不同,癥狀存在差異。如高抗燕麥品種對冠銹菌[34]和白粉菌[35]產生的過敏性壞死表現為病斑周圍具有褪綠癥狀。本研究通過對15 份飼用燕麥品種田間癥狀的觀察,未發現典型的過敏反應。但前期對我國燕麥病害調查發現,一些地方品種的炭疽病病斑呈小型紫色水漬狀,或者部分梭形病斑具有紫褐色邊緣,通過顯微觀察確定為過敏性壞死。這 種 因 發 生 過 敏 反 應 產 生 的 變 色 癥 狀 在 柱 花 草(Stylosanthes guianensis)[36]、苜 蓿[37]和 草 莓(Fragaria ananassa)[38]等植物炭疽病上也有報道。炭疽菌為典型的兼性寄生真菌,能分泌細胞壁解聚酶(depolymerase)和多糖(polysaccharide)、糖蛋白(glycoprotein)、萜類化合物(terpenoid)等植物毒素裂解或殺死寄主細胞。對抗病能力弱的植物個體,次生菌絲在葉片內快速拓展致使整個病葉枯黃[39-40]。本研究涉及的進口飼用燕麥材料中,有近80%的品種均存在這種感病癥狀,其中科納品種在發病高峰期,中、下部葉片出現大量因罹患炭疽病導致的枯死現象。
由于病菌生理小種、侵染時期、生長環境和品種鑒別品系等因素的影響,寄主植物在田間的病害癥狀表現非常復雜[41],因此田間調查時僅選擇最高反應級作為抗性評價的依據,但需要具備較高的專業知識和實踐經驗才能準確劃分反應型。發病率、嚴重度和病情指數是反映病害發生程度的常用指標,能快速、簡便地評價植物的抗病能力,應用也最為廣泛。研究表明,發病率、嚴重度和病情指數之間具有很好的線性關系[42-43],在生產實踐中常選擇一種用于抗病評價。除燕王(OV6)外,本研究采用反應型和病情指數對不同品種炭疽病的抗性評價結果相同,表明這兩種指標具有很好的一致性。聚類分析是從數量方面對植物抗病性的親疏程度進行分類研究的方法[44]。王雪蓮等[27]采用系統聚類法分析了柑橘屬(Citrus)種質對炭疽病的抗性,并與病斑直徑法和病情指數法的結果進行了比較,發現3 種方法所得結果基本相同。本研究在使用聚類分析法評價飼用燕麥對炭疽病抗性時,綜合了反應型、發病率和病情指數3 種數量指標,除黑玫克(OV4)、大富翁(OV5)和燕王(OV6)外,其余品種所得結果與反應型法和病情指數法的結果一致。事實上,低感品種黑玫克(OV4)、大富翁(OV5)、燕王(OV6)與感病品種夢龍(OV9)之間的發病率和病情指數并無顯著差異,且田間反應型均以典型的大梭形病斑為主。后續研究中,如果只是以篩選抗病品種為目的,在劃分燕麥炭疽病抗性分級標準時,建議將低感并入感病一級,僅與高感進行區分即可。
本研究采用3 種抗性評價方法,均鑒定出相同的4 個抗病品種,僅占總數的27%,未發現中抗及以上品種。這主要是由于美國、加拿大、澳大利亞等燕麥主產國針對冠銹病、稈銹病(Puccinia graminis)、黑穗病(Ustilago segetum)、白粉病等世界性病害選育抗病品種[6],對于區域性流行病害缺乏關注。此外,炭疽菌復合種(species complexes)存在廣泛的種內遺傳變異性,使得植物很難長期保持抗性[45]。我國燕麥育種工作起步較早,已擁有地方和引進種質資源5282 份[46]。近年來,學者針對內臍蠕孢葉斑病(Drechslera avenae)[47]、稈銹病[48]、白粉病[49]、黑穗病[50]、病毒性紅葉病(barley yellow dwarf virus)[51]開展了燕麥種質的抗病性評價,在地方品種中發現了中抗及以上的抗病材料。本研究后續將在全國范圍內開展地方品種對炭疽病的抗性評價,充分挖掘抗病能力強的優異種質及基因資源。
飼用燕麥全株均可被家畜采食,其中莖、葉的營養價值較高,干物質消化率在75%以上,而籽粒一般用于生產家畜精飼料[52]。本研究結果表明,炭疽病均顯著降低了莖、葉、籽粒的生物量,損失率分別為12%~37%、5%~23%、6%~26%,且隨發病程度的增加呈線性升高趨勢。大量研究證實病原侵染寄主后,通過降低氣孔導度[53]、抑制光合電子傳遞、減少光合色素含量、降低光合作用酶活性[54]等途徑造成光合同化產物損失,進而影響其生物量。不同類型病原對生物量造成的損失存在差異,活體寄生病原僅影響病變部位的光合作用[55],損失相對要低,如長芒草銹病(Uredospp.)的生物量損失率為14%[16];炭疽菌等兼性寄生病原還能通過毒素擴散影響健康組織[56],因此損失率相對要高,如苜蓿炭疽病的生物量損失率為27%[15]。本研究結果表明,炭疽病給飼用燕麥造成的生物量損失率最高達28%,與前人研究結果基本一致。此外,炭疽病在降低籽粒生物量的同時,可能對種子活力產生不利影響,在燕麥種子生產中要高度重視此類病害,及時采取科學有效的防治措施。
飼用燕麥的最佳收獲時間為乳熟期至蠟熟期,可以獲得較高的干物質產量,而且消化率和蛋白質含量也較高[52]。根據中國燕麥草干草質量分級標準,A 型燕麥干草最低等級要求粗蛋白含量高于8%,中性和酸性洗滌纖維含量分別低于65%和40%。本研究選取的進口“科納”品種,乳熟期健康植株的粗蛋白、中性和酸性洗滌纖維含量分別為9.2%、46%和42%,是價值較高的商品草。但嚴重發病的燕麥植株粗蛋白含量下降至8.2%,中性和酸性洗滌纖維含量分別升高至52%和46%。飼草(料)相對值是一種簡單、實用的粗飼料評價指標,根據其分級標準[57],健康“科納”品種飼草屬于2 級(103~124),但中度及以下發病植株的飼草相對值為94~101,降為了3 級(87~102)。可見,炭疽病嚴重影響了飼用燕麥草產品的飼用價值和經濟收益。此外,研究表明炭疽菌可分泌約109 種次生代謝產物,其中4-chloroorcinol 和colletochlorin F 等毒素可能造成采食家畜的消化系統紊亂甚至中毒死亡[58]。后續將對燕麥炭疽菌毒素進行測定和分析,全面評估其危害性。
燕麥等草地系統中,由于其自身的特點及經濟、環境和食品安全等因素,優先倡導和開發病害的可持續管理技術,將為害水平調節并保持在經濟閾值水平之下,從而達到提高草地整體生產力和穩定性的目的[18]。在確定病害防治的經濟閾值前,需要建立病情指數與產量損失率的數學模型,并獲得計算經濟閾值所需的參數[59]。如王淑英等[60]通過兩年的田間試驗,確定了甘肅蠶豆(Vicia faba)赤斑病(Botrytis fabae)和輪斑病(Cercospora zonata)發生的病情指數與產量損失率之間的數學關系,并利用回歸方程的斜率和截距計算出病害防治的經濟閾值。本研究首次獲得了燕麥炭疽病病情指數與產量損失率之間的線性模型,同時發現其與草品質指標之間也存在顯著的相關性,這與對苜蓿炭疽病[15]和豆科牧草銹病[17]的研究結果一致,為生產實踐中開展病害的產量損失預測和防治技術研究提供了理論依據。
本研究采用反應型法、病情指數法和聚類分析法,均鑒定出相同的4 個抗病品種,分別為太陽神、愛沃、領袖和蒙特,未發現中抗及以上品種,也未觀察到典型的過敏性壞死反應,需進一步從我國地方品種中挖掘抗病能力強的優異種質。炭疽病降低了感病燕麥品種地上部分各器官的生物量,引致7.5%~28.1%的產量損失;同時降低了粗蛋白、總氨基酸、粗灰分和磷的含量,降幅分別為2.8%~11.1%、5.9%~44.5%、3.2%~16.0% 和4.8%~20.8%;增加了中性和酸性洗滌纖維的含量,增幅分別為1.9%~11.9%、2.1%~10.0%。總之,炭疽病嚴重影響了飼用燕麥的產量、品質和飼用價值,在生產實踐中要高度重視該病害,及時采取科學有效的防治措施。