杨 洋 陈国康 郭 成 张 炜 孙素丽 王晓鸣 朱振东 段灿星,*



玉米种质资源抗腐霉茎腐病鉴定

杨 洋1,2,**陈国康1,**郭 成3张 炜1孙素丽2王晓鸣2朱振东2段灿星2,*

1西南大学植物保护学院, 重庆 400715;2中国农业科学院作物科学研究所 / 国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程, 北京 100081;3甘肃省农业科学院植物保护研究所, 甘肃兰州 730070

腐霉茎腐病(stalk rot)是玉米生产上的重要病害。2013—2016年, 对1213份玉米种质资源进行了抗肿囊腐霉()茎腐病的鉴定与评价。在1213份玉米种质中, 鉴定出高抗肿囊腐霉茎腐病的材料207份, 占鉴定总数的17.1%, 主要来自中国的内蒙古、河北、山西及美国等地。抗性材料159份, 占鉴定材料数的13.1%, 主要由源自中国的内蒙古、云南、山西和美国等地的种质构成。由此可见, 玉米种质中存在较为丰富的抗腐霉茎腐病资源, 且抗性水平与地理来源有关。自交系和农家种中对肿囊腐霉茎腐病表现高抗的种质分别占鉴定种质总数的18.7%和10.6%, 表明自交系中高抗肿囊腐霉茎腐病资源较农家种更为丰富。

玉米; 肿囊腐霉; 茎腐病; 抗性鉴定

玉米茎腐病是一种世界性的土传病害, 也是威胁我国玉米生产的重要病害之一[1]。茎腐病不仅造成玉米严重减产, 还导致品质显著下降; 在我国玉米生产机械化粒收日益普及的今天, 该病对玉米产量的损失愈加凸显。玉米茎腐病致病菌比较复杂, 目前已知的有20余种, 我国的主要为肿囊腐霉()和禾谷镰孢()两大类[2-3], 而国外多报道由镰孢菌引起的茎腐病[4]。

近年来, 由于生产上大面积种植的品种多对茎腐病感病, 再加上气候条件、病原菌数量、毒性以及人们种植模式的改变, 我国玉米茎腐病的发生有逐年加重的趋势[3,5]。选育和推广抗病品种是防治玉米茎腐病并减少玉米产量损失的最为经济、有效的途径, 而有效鉴定和评价抗病性, 筛选抗性较好的种质资源是玉米抗茎腐病育种的基础和前提[6]。玉米品种之间对腐霉茎腐病的抗性差异比较大[7], 国内已鉴定和筛选出一些抗性种质。王富荣等[8]在1991—1995年间采用自然发病和人工土壤接种方法鉴定了1550份玉米品种对茎腐病的抗性, 所用菌株为肿囊腐霉()和串珠镰刀菌(), 结果显示, 表现高抗的397份, 中抗的304份。宋燕春等[9]在2010—2011年间采用人工接种方法, 对287份玉米自交系进行抗肿囊腐霉茎腐病鉴定, 表明, 有43份材料表现高抗, 95份材料表现高感。前人研究表明, 我国玉米种质资源中蕴藏着较为丰富的抗玉米茎腐病资源, 但能够在育种中利用的高抗茎腐病的自交系极少。因此, 广泛收集和进一步鉴定国内外优质抗病资源十分必要。

本试验于2013—2016年采用人工接种肿囊腐霉对我国玉米1213份材料的茎腐病抗性进行田间鉴定和评价, 以期筛选出一批对腐霉茎腐病具有稳定抗性的种质资源, 为开展抗病遗传研究和培育抗腐霉茎腐病玉米品种提供基础材料。

1 材料与方法

1.1 供试植物材料

玉米腐霉茎腐病抗性鉴定材料1213份, 包括975份自交系、235份农家种及3份国内群体, 分别占总材料的80.4%、19.4%和0.2%, 对照材料为对茎腐病表现抗病的自交系齐319和对茎腐病表现感病的自交系掖478; 抗病标记基因型分析种质共196份, 包括182份自交系和14份农家种。供试材料具有较广泛的地理分布, 均由中国农业科学院作物科学研究所作物种质资源保护与研究中心提供。

1.2 腐霉茎腐病抗性鉴定

1.2.1 菌株培养繁殖及接种 抗性鉴定所用的腐霉菌株为强致病力肿囊腐霉, 菌株由中国农业科学院作物科学研究所种质资源抗病虫评价创新研究组分离、纯化和保存。将腐霉菌接种在PDA平板培养基上培养1周左右, 至菌丝体长满整个平板, 保存于10℃, 即可用于接种物的扩大繁殖。选用玉米籽粒作为腐霉菌再扩繁的培养基。首先, 将清洗好的玉米籽粒在水中浸泡过夜, 煮沸0.5 h, 装入500 mL三角瓶, 于121℃灭菌65 min, 待灭菌籽粒冷却至室温, 将培养好的腐霉菌切成小块, 每个三角瓶放4~6块, 在25℃黑暗培养15 d, 菌丝布满玉米粒后即可接种。

在玉米十叶期采用土埋伤根法接种[10-11]。接种前, 将培养好的带有腐霉菌的玉米粒倒在一起混合均匀; 接种时, 将玉米根系一侧的土壤竖直向下刨开, 切断部分根系, 将病原培养物30 g左右接种在露出的根系处; 接种后覆土并灌溉, 保证田间具有适宜的湿度, 以利病原菌侵染繁殖。

1.2.2 抗病鉴定圃的设置 2013—2016年将鉴定圃设置在中国农业科学院作物科学研究所昌平试验站。鉴定材料播种时间为每年的5月初, 鉴定小区行长5.0 m, 行距0.7 m, 每份材料2行, 小区随机排列, 每行留苗25株左右; 每隔50行设对照材料, 以齐319为抗病对照, 掖478为感病对照。对鉴定出的抗性(含高抗和抗病)种质, 次年采用相同方法重复鉴定[1]。实验小区的土壤肥力水平适宜, 田间管理措施同生产田。

1.2.3 腐霉茎腐病抗性评价 采用植株基部茎节发病调查法[12], 9月份, 待玉米进入蜡熟期后, 按行以手指按捏地表上方第2茎节, 茎秆发生空、软者即为发病株, 茎节明显变褐也为发病株; 计数每份鉴定材料的总株数和发病株数。发病株率(%)=发病株数/调查总株数×100。病情分级、抗性评价标准见表1。

表1 玉米对腐霉茎腐病抗性的发病级别及抗性划分

2 结果与分析

2.1 玉米种质资源对腐霉茎腐病的抗性鉴定与评价

2013—2016年期间对1213份玉米种质资源进行腐霉茎腐病抗性鉴定, 其中抗病对照材料齐319在4年间稳定表现高抗(HR), 发病率为3.5% (2013)、1.3% (2014)、2.5% (2015)和2.0% (2016), 感病对照材料掖478表现高感(HS), 发病率为44.2% (2013)、50.5% (2014)、66.8% (2015)、59.7% (2016), 因此4年的鉴定结果是有效的。经鉴定, 不同玉米种质对腐霉茎腐病的抗性表现出明显的差异, 发病率最高达100%, 最低为0。

1213份玉米种质中筛选出高抗肿囊腐霉茎腐病的材料207份(表2), 占鉴定总数的17.1%, 主要来自中国的内蒙古、河北、山西及美国等地。抗性材料159份, 占鉴定材料数的13.1%, 主要由源自中国内蒙古、中国云南、中国山西、美国等地的种质构成。中抗(MR)、感病(S)和高感(HS)材料各211、321和312份, 分别占比17.4%、26.5%和25.7%。从上述鉴定结果可以看出, 我国玉米种质中存在较为丰富的抗腐霉茎腐病资源, 对于抗病品种的选育和品种的抗性改良具有重要意义。

2.2 不同类型玉米种质对腐霉茎腐病的抗性水平

在鉴定的975份自交系材料中, 对肿囊腐霉茎腐病表现高抗(HR)的182份, 占鉴定材料总数的18.7%; 抗病(R)自交系共126份, 占鉴定材料总数的12.9%; 表现中抗、感病、高感的自交系各占鉴定材料总数的17.0%、26.9%和24.9%。在鉴定的235份农家种中, 有25份表现高抗(HR), 占鉴定材料总数的10.6%; 33份表现抗病(R), 占鉴定材料总数的14.0%; 表现中抗、感病、高感的各占鉴定材料总数的20.9%、25.1%和29.4% (图1)。上述鉴定结果表明不同玉米种质对腐霉茎腐病的抗性水平存在一定差异, 玉米自交系中对腐霉茎腐病高抗资源较农家种丰富, 自交系中含有丰富的抗性(含HR和R)资源。

2.3 不同地理来源的玉米种质对玉米腐霉茎腐病的抗性水平

在鉴定的1213份玉米种质资源中, 865份来自国内, 筛选到高抗腐霉茎腐病的材料169份, 占比19.5%, 主要来自内蒙古、山西和河北; 抗性材料133份, 占比15.4%, 主要来自内蒙古、山西和云南。在来自国外的348份种质资源中, 筛选到高抗和抗性材料分别为38份和26份, 占比10.9%和7.5%。在河北、内蒙古、山西、云南和贵州的种质中, 抗腐霉茎腐病的材料(含HR和R)分别为25份、114份、55份、38份、21份, 分别占其总数的39.7%、35.1%、34.8%、31.7%和32.3%。上述结果表明不同地理来源的玉米种质对腐霉茎腐病的抗性以及抗性多样性存在一定差异(表3)。

表2 对腐霉茎腐病表现高抗(HR)的部分玉米种质

HR: highly resistant.

3 讨论

在国家玉米品种区域试验中, 多年来一直非常重视茎腐病的抗性鉴定, 对茎腐病表现高度感病的品种作为一票否决处理[9]。我国玉米种质资源非常丰富, 但大部分对玉米腐霉茎腐病的抗性水平尚不明了, 为探明这些种质对腐霉茎腐病的抗性, 为抗病育种工作提供有效的数据, 持续进行抗腐霉茎腐病鉴定工作十分必要。中国国家作物种质库中已收集和保存玉米种质21 000余份, 是世界上最具有广泛代表性的遗传资源中心之一, 其中蕴含大量的基因资源。本研究中的资源材料均来自国家种质库, 具有较强的代表性。鉴定结果表明, 我国玉米种质资源中蕴藏着较为丰富的腐霉茎腐病抗性资源, 且不同种质类型和不同地理来源的种质, 其整体抗性存在较大的差异。

图1 975份自交系和235份农家种对腐霉茎腐病的抗性鉴定结果

HR: 高抗; R: 抗; MR: 中抗; S: 感; HS: 高感。

R: resistant; MR: moderately resistant; S: susceptible; HS: highly susceptible

表3 不同地理来源的玉米种质对玉米腐霉茎腐病的抗性统计

R: resistant; MR: moderately resistant; S: susceptible; HS: highly susceptible.

在鉴定的975份自交系材料中, 对肿囊腐霉茎腐病表现高抗、抗性、中抗的材料各占18.7%、12.9%和16.6%。这与前人在研究中认为玉米自交系种质资源中对腐霉茎腐病表现高抗的材料较少的结论不一致, 以上抗性鉴定结果间的差异, 主要由以下因素所致: (1)鉴定的玉米材料种类不同; (2)鉴定者接种用病原菌分离物的差异; (3)不同鉴定工作所处的环境条件缺乏一致性[13]即地域间鉴定环境的差异以及年度间环境的差异; (4)鉴定材料的来源不同: 许多自交系在不同的育种家手中都经过了一定的改良, 因此同名自交系会存在明显的性状差异, 而鉴定者获得材料的途径是不同的[14]。

在鉴定的235份农家种中, 对肿囊腐霉茎腐病表现高抗、抗性、中抗的材料各占10.6%、14.0%和20.9%。表明玉米自交系中对腐霉茎腐病高抗资源最多, 而农家种中抗资源稍多一些, 高抗相对较少。玉米农家种是各个地区为了适应当地的气候环境和土壤类型, 经过长时间的自然选择和人为选择而形成的, 因此农家种在抗病害的同时还要具有丰产的潜力。高抗的资源随着病原菌种类的变化和病原菌致病力的增强易丧失抗性, 中抗资源多数是多基因控制的抗性, 抗性较稳定, 不易丧失。此外, 一些高抗的资源农艺性状不理想, 所以在多种因素的影响下易出现农家种对腐霉茎腐病表现中抗占多数的情况[15-16]。虽然中国的玉米农家种在生产上应用较少, 但却携带着许多优良抗病基因。目前我国玉米育种的遗传基础越来越狭窄, 发掘和利用农家种中抗病基因对于现代玉米品种改良具有重要的意义。

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Identification of Maize Germplasm for Resistance toStalk Rot

YANG Yang1,2,**, CHEN Guo-Kang1,**, GUO Cheng3, ZHANG Wei1, SUN Su-Li2, WANG Xiao-Ming2, ZHU Zhen-Dong2, and DUAN Can-Xing2,*

1College of Plant Protection, Southwest University, Chongqing 400715, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Beijing 100081, China;3Institute of Plant Protection, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China

stalk rot is a serious disease in maize production. A total of 1213 maize accessions were screened for resistance tostalk rot from 2013 to 2016. Among the 1213 germplasm resources, 207 were highly resistant tostalk rot, accounting for 17.1% of total accessions screened, mainly from Inner Mongolia, Hebei, Shanxi Provinces of China and the United States, 159 were resistant tostalk rot, accounting for 13.1% of total accessions, mainly from Inner Mongolia, Yunnan, Shanxi Provinces of China and USA, showing that there are relatively abundant germplasm resistant tostalk rot in these maize accessions, and the level of resistance is related to geographical origin. In present study, 18.7% of maize inbred lines were highly resistant tostalk rot, whereas 10.6% of landraces were highly resistant to the same diseases, indicating higher level of resistance and more multiple resistance were in inbred lines than in landraces.

maize;; stalk rot; resistance identification

2018-06-12;

2018-06-20.

10.3724/SP.J.1006.2018.01256

段灿星, E-mail: duancanxing@caas.cn**同等贡献(Contributed equally to this work)

杨洋, E-mail: 1324746330@qq.com; 陈国康, E-mail: chenguokang@swu.edu.cn

2018-01-05;

本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0100103), 作物种质资源保护专项(2017NWB036-12)和中国农业科学院农业科技创新工程资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0100103), the Special Fund for Protection of Crop Germplasm Resources (2017NWB036-12), and the Agricultural Science and Technology Innovation Program of the Chinese Academy of Agricultural Sciences.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180620.0000.000.html