玉米地方種質資源對禾谷鐮孢菌穗腐病的抗性評價

何 玥, 郭 爽, 王 棟, 聶 蕾, 涂 亮,劉鵬飛, 郭向陽, 王安貴, 祝云芳, 吳 迅,3, 陳澤輝

(1.貴州大學農學院, 貴陽 550025; 2.貴州省農業科學院旱糧研究所, 貴陽 550006;3.農業農村部喀斯特山區作物基因資源與種質創新重點實驗室, 貴陽 550006)

玉米作為重要的糧食、飼料作物和工業原料之一,也是我國的第一大糧食作物,在保障國家糧食安全和社會穩定中發揮著重要作用。玉米穗腐病是我國各個玉米產區普遍發生且危害嚴重的一種真菌性病害,一般品種發病率為 5%～7%,感病品種發病率達50%左右[1]。不僅造成嚴重減產和降質,還會產生真菌毒素,嚴重威脅人畜健康[2-5]。玉米穗腐病的病原菌種類繁多,主要有兩大優勢致病菌,分別是擬輪枝鐮孢菌和禾谷鐮孢菌。在我國西南地區,禾谷鐮孢復合種(FGSCFusariumgraminearumspecies complex)是主要的優勢菌株之一[6]。基于不同的接種方法,國內外相繼鑒定出一些抗禾谷鐮孢穗腐病的玉米種質材料。Schaafsma等[7]利用花絲通道注射法和針刺果穗注射法鑒定出2個品種對禾谷鐮孢穗腐病表現高抗。Reid等[8]采用花絲通道注射法鑒定出對禾谷鐮孢菌表現抗性的自交系CO272、CO325與雜交種Pride K127。文成敬等[9]通過針刺果穗注射法鑒定出5份材料表現出中等以上抗性。劉素玲等[10]鑒定出自交系自330和BT-1對禾谷鐮孢菌表現高抗。徐婧等[11]同時對兩種優勢病原菌進行抗性鑒定,鑒定出兼具抗性的12份玉米種質資源。楊俊偉等[12]對玉米新品種進行禾谷鐮孢穗腐病的抗性鑒定,篩選出中抗及以上品種數占鑒定品種總數的91.56%,且高抗品種占比在年際間變化幅度較大。段燦星等[13]經過多年多點的鑒定,篩選出17份對禾谷鐮孢菌穗腐病表現出穩定抗性的種質,如MC7528,H446,Y1632等。綜上所述,前人鑒定出的抗穗腐病種質材料大多數集中在玉米自交系或雜交種,而對我國玉米地方種質的穗腐病抗性鑒定與評價較少。我國玉米種質資源保藏量十分豐富,尤其是西南地區的玉米種質資源保藏量和利用潛力大[14],但絕大部分種質尚未進行精準地抗穗腐病鑒定,而且各種環境因素對穗腐病的發病影響較大,導致玉米穗腐病的防治較為困難。不斷深入認識玉米種質資源對穗腐病的抗感差異,是選育抗性種質資源的基礎。本研究采用人工田間接種的方式,對我國西南區998份玉米地方種質資源進行禾谷鐮孢菌穗腐病抗性評價。以期為深入認識中國玉米地方種質資源穗腐病抗性提供參考,也為穗腐病抗性遺傳學的研究和抗性種質資源的選育提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

依托國家種質資源庫搜集到的玉米地方種質資源共998份,其中普通地方種材料500份,糯玉米地方種材料498份。本研究使用的禾谷鐮刀菌由貴州省農科院植保所提供,分離自貴州省采集的玉米穗腐病樣本。

1.2 田間試驗設計

所有材料于2022年3月種植在貴州省農業科學院大方縣試驗基地。行長3 m,每個材料種植2行,2次重復。以X178為抗病對照,B73為感病對照。每間隔98份材料種植一組對照。田間管理按照當地大田生產管理進行。

1.3 禾谷鐮孢菌的培養與接種

1.3.1菌種培養與孢子懸浮液制備

在PDA培養基上接種禾谷鐮孢菌,放入25 ℃恒溫培養箱,培養6～7 d。待PDA平板長滿菌絲,將其切成小塊,轉接至滅菌的綠豆培養基中,放入25 ℃恒溫搖床,設置轉速為220 r/min,并保持暗光培養7 d左右。最后利用滅菌雙層紗布進行過濾,去除菌絲和雜質,用無菌水配成濃度為2×106個/mL的孢子懸浮液。

1.3.2田間接種方法

根據材料的生育期,玉米吐絲10 d后,參照張小飛等[15]描述的針刺果穗注射法接種,每穗 2 mL孢子懸浮液,接種后噴漆標注。

1.4 抗病性調查與評價

在玉米收獲期進行發病級別調查。按照抗性評價標準(表1),每份材料需選取接種后無雜菌侵染的6個果穗,進行病情級別評價。根據性狀調查和評價結果,利用Microsoft Excel2010軟件進行分析處理,計算平均病情級別和病情指數。

表1 玉米鐮孢穗腐病抗性評價標準

1.4.1平均病情級別計算公式[13,16]

式中,ERS表示病情級別;i=1,為第1個單株,n為最后第n個單株。

1.4.2病情指數計算公式

根據病情級別計算每份材料的病情指數,參照張帆等[17]病情指數計算公式如下:

病情指數/%=

1.5 病情指數的Shannon-Weaver多樣性指數計算

1.5.1病情指數的等級劃分

表2 病情指數的等級劃分

1.5.2分布頻率

分布頻率計算公式:

式中,ni表示病情指數處于第i級的材料個數,n表示材料總數。

1.5.3Shannon-Weaver多樣性指數

參照Poole等[20]的公式計算Shannon-Weaver多樣性指數:

2 結果與分析

2.1 地方種質資源穗腐病抗性鑒定

依據農業行業標準NY/T 1248.8-2016《玉米抗病蟲性鑒定技術規范》的第8部分,對998份玉米種質資源進行了禾谷鐮孢菌穗腐病抗性鑒定評價,結果顯示,感病對照自交系B73的平均病情級別為7.49,大于5.6,表明此次鑒定結果有效。

對禾谷鐮孢菌的抗感數量和比例均呈正態分布趨勢,其中高抗和抗的材料較少,中抗和感的材料較多,其次為高感材料數量(表3)。可以看出,籽粒發病輕,平均病情級別≤1.5,表現高抗的材料僅有3份,分別是鐵心早,紅爆花,烏炸包谷。表現抗病的材料有99份,平均病情級別介于1.6～3.5之間,占全部材料的9.92%;平均病情級別介于3.6～5.5之間的有348份為中抗材料,占全部材料的34.87%;而感病材料有368份,平均病情級別介于5.6～7.5之間,所占比例最高;表現高感的材料有180份,占比僅次于感病材料和中抗材料。鑒定結果說明地方種質資源中蘊藏了大量的抗性資源,中抗及以上的材料有450份,占了全部材料的45.09%,但高抗的材料比較缺乏。

表3 抗性鑒定結果分布

根據材料的類型來看,普通玉米地方種和糯玉米地方種表現出抗性的材料數量相差不大,兩者的感病材料數量一致(表4);但糯玉米地方種沒有表現高抗的材料,并且表現高感的材料多于普通玉米地方種質,說明糯玉米整體抗性較差。部分材料抗性鑒定結果見表5。

表4 不同類型材料抗級數量

表5 抗性鑒定結果(部分材料)

2.2 病情指數的多樣性分析

由圖1可以看出,玉米地方種質資源在劃分出的病情指數等級上除了10級,均有分布。其中5級的材料數量最多,達201份,7級次之。1級的材料數量最少,只有16份。說明玉米地方種質抗感類型豐富,可利用的種質材料多,因此,從玉米地方種質資源進行抗源篩選可能更容易獲得有用的抗源材料。

圖1 病情指數等級劃分數量

通過計算,玉米地方種質病情指數的Shannon-Weaver多樣性指數為2.05,表明其對禾谷鐮孢穗腐病的病情指數的多樣性水平較高。從圖2來看,在1～9個等級上均有分布,但主要還是集中在第4～7級上,占總數的66.43%。表現出一定的集中性,呈現為一種近似的正態分布。表明地方種質資源對禾谷鐮孢穗腐病的發病情況較為集中,病情指數集中在中等范圍內。

圖2 玉米地方種質資源病情指數頻率分布

3 討 論

玉米穗腐病致病菌種類繁多,廣泛分布在我國不同的玉米產區,其優勢致病菌為禾谷鐮孢復合種和擬輪枝鐮孢菌。通過分子鑒定和比較基因序列的差異,又把禾谷鐮孢菌復合種分成了16個種[21]。我國報道的至少有4個種,在南北方玉米主產區均有分布的主要是禾谷鐮孢菌,布氏鐮孢菌主要分布在北方地區,而南方鐮孢菌(F.meridionale)分布在高溫高濕的西南區域[22],亞洲鐮孢菌(F.asiaticum)在西南地區也是穗腐病致病種之一[23],可以看出禾谷鐮孢穗腐病的病原菌分布具有一定的地域特征,并且前人研究表明,不同致病菌引起的穗腐病抗性不存在相關性[24],因此要針對不同的病原菌分別展開抗性鑒定和抗源篩選,而前人大多數的研究都是針對擬輪枝鐮孢病原菌進行抗性鑒定和篩選,關于禾谷鐮孢穗腐病的抗性鑒定較少,導致抗源稀缺。本研究利用禾谷鐮孢菌作為致病菌,進行西南區玉米地方種質資源的抗性鑒定和篩選,增加了抗禾谷鐮孢穗腐病的抗性種質數量。玉米穗腐病的發生不僅受多種病原菌復合侵染,還受生長條件、氣候變化等諸多環境因素的影響,在較寒冷、高降雨量的玉米種植區禾谷鐮孢更占優勢[25],我國西南地區是玉米禾谷鐮孢穗腐病的高發區,目前在玉米禾谷鐮孢穗腐病抗病資源鑒定以及抗性基因挖掘方面都取得了一定進展,但仍落后于實際的生產應用,因此選育抗穗腐病玉米種質資源對西南玉米產區具有極其重要的意義。

玉米地方種質資源具有豐富的適應性和抗逆性變異基因,姚啟倫等[26]采用不完全雙列雜交試驗對10份三峽庫區玉米地方種質資源進行抗病性分析,結果表明地方種質資源較骨干自交系具有明顯的抗病特性。在長期的自然和人工選擇下,西南山地玉米區以其特殊的地理特征和氣候條件,形成了具有特定適應性的玉米地方品種,這些品種中蘊含著復雜多樣的基因資源[27]。本研究針對西南區玉米地方種質的抗穗腐病進行了客觀評價,篩選出3份高抗穗腐病種質資源,這些抗病材料的鑒定與篩選,豐富了我國玉米抗穗粒腐病種質資源,將為抗病育種和理論研究提供一定的支撐。

4 結 論

本研究對西南區玉米地方種質的穗腐病抗性進行了人工接種鑒定與評價,篩選出3份表現高抗玉米穗腐病的地方種質,此外,有99份表現為抗玉米穗腐病,中抗玉米穗腐病的材料有348份,中抗及以上的材料占供試自交系的45.09%。從供試材料的類型來看,普通玉米地方種對禾谷鐮孢穗腐病的抗性表現較強,在糯玉米地方種中,也鑒定出一些抗和中抗的種質,可應用于感病材料的穗粒腐病抗性改良。本研究以西南區玉米地方種質感禾谷鐮孢穗腐病的病情指數,進行多樣性分析,結果表明,西南區玉米地方種質的病情指數的計算值和 Shannon-Weaver多樣性指數較高,說明我國玉米地方種質資源中,抗感禾谷鐮孢穗腐病的材料豐富,且玉米穗腐病抗源數量較多,在選育抗性材料時可考慮應用地方種質抗源。