韦丽纯，李 赟，陈合云，郑学强，刘合芹，刘秀慧，邹桂花

（1广西大学农学院，南宁 530004；2浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所/数字旱粮重点实验室，杭州 310021）

0 引言

高粱，又称木稷，是全球重要的禾谷类作物之一，主要分布在亚洲、美洲和非洲的热带和亚热带地区，部分温带和寒带地区也有栽植[1]。从全球范围看，它是仅次于小麦、水稻、玉米、大麦，位居世界第五的粮食和经济作物[2]，在干旱、半干旱地区和低洼易涝地区的农业生产中占据着极其重要的地位。高粱炭疽病是由高粱炭疽菌侵染引起的重要病害，在国内外高粱栽种地区都有发生和流行，可发生于高粱各个生育阶段，以危害叶片为主，也可侵染茎秆和穗部，严重时会导致颗粒无收。对高粱炭疽病的分布和发病症状、炭疽病病原菌侵染机理、病害发生流行规律及流行原因、抗性资源鉴定和抗炭疽病基因定位这些研究进展进行了综合分析和论述，以期为高粱炭疽病研究提供参考。

1 高粱炭疽病的分布

高粱炭疽病是一种世界范围内发生普遍并且危害严重的高粱病害，1852年高粱炭疽病在意大利首次被报道，此后，许多国家和地区都有因该病害导致高粱产量大幅下降的报道[3]。高粱炭疽病在美国东南部地区、拉丁美洲以及其他热带和亚热带地区更为常见，在热带和亚热带地区，高温多雨的环境是高粱炭疽病菌生长繁殖的主导因素，若当气候条件适合炭疽病菌发育，炭疽病的发生流行造成的损失会更加严重。在中国的高粱产区，包括辽宁、黑龙江、山东、四川、贵州、云南、浙江、甘肃等地，高粱炭疽病也有不同程度的发生，尤其在南方地区温暖湿润的自然气候下，炭疽病已成为南方高粱产区的主要病害之一。

2 高粱炭疽病的发病症状

高梁炭疽病是严重影响高粱产量的病害之一，高粱植株感病后一般减产10%，在病情高发时节，一些感病品种因病可造成籽粒和茎秆产量损失30%～50%[4]，甚至绝收，高粱产量大幅下降，造成巨大的经济损失。

高粱炭疽病可发生于高粱生长发育的各个阶段，以叶部病害最为常见，受害植株轻则叶片出现病斑，重则叶片枯死，甚至造成死苗。叶部染病一般是从高粱植株的下方叶片开始，直至孕穗期病症开始明显，病斑从下部叶片向中部叶片扩展，且至抽穗期感病开始进入持续增长阶段，除了危害叶片和叶鞘之外，也侵染茎秆和穗枝梗[5]，导致植株不能正常抽穗或者抽穗不良。

高粱炭疽病在生长初期发育缓慢，高粱抽穗到灌浆这一阶段是炭疽病发生的高峰期[6]，炭疽病菌逐渐侵染茎秆、穗部和籽粒，通常在被感染处形成较大的病斑，致使病穗倒折和植株腐败。植株染病后其感病部位出现的炭疽病病斑颜色与高粱的种类和品系相关，大部分病斑颜色为边缘部位颜色较浅，中央颜色深，即出现方形、椭圆形、微小圆形的斑点状或细长的病斑形状，有黑色、黑紫色、褐色或者红色边缘，随着病情的发展，高粱植株发病部位周围的细胞组织死亡，植株的光合作用与营养物质合成能力逐渐丧失[7]，影响新陈代谢。此外，炭疽病菌具有极高的繁殖能力[8]，一旦大范围发生会造成毁灭性的危害。

3 高粱炭疽病的发生、流行原因

高粱炭疽病的发生流行与炭疽病病原菌源、自然环境和栽培管理有关。炭疽病病原菌能够以菌丝体、分生孢子和小菌核的形式在土壤表面、作物残屑以及在受感染的种子上存活长达18个月，导致翌年田间发病造成持续性的破坏，高粱炭疽病的发生流行还与自然气候条件密切关，在温暖潮湿且光照不足的环境下，高粱更容易受到炭疽病的侵害，雨水和风力也是传播高粱病原菌，使其感染炭疽病的途径[9]。

王秋月等[10]认为由于地理位置与自然环境不同，中国南方地区如四川、浙江和贵州等地种植高粱时节气候炎热且多雨，加上连作的种植模式，使高粱炭疽病发病情况变得更加严重。Acharya等[11]发现温暖、潮湿的自然环境更有利于高粱炭疽病的传播，并且炭疽病会导致高粱减产高达50%。Aragaw 等[12]对埃塞俄比亚东部地区高粱炭疽病的分布进行了实地调查，在5个区域共计125个田块进行了评估，通过调查显示，所有调查田块均感染炭疽病，且调查地区的炭疽病发病程度存在显著的差异。采用Logistic回归分析高粱炭疽病与自变量的相关性，结果发现，高程度发病与试验区域长期连作高粱的种植模式高度相关，这种种植模式会使土壤中的炭疽病病原菌积累量增加，使植株更易受到病原菌的侵染；较低程度的发病与高粱残渣清除、杂草防除、田间不同作物轮作等有较高的关联度，田间管理得当和轮作倒茬可以使土壤中的炭疽病菌致病力不断下降，从而有效控制炭疽病的发生，并且轮作更有利于植株生长发育。孔凡信等[13]发现高粱品种退化、抗病能力差，抗性品种更新较慢导致了高粱炭疽病的传播，此外，还有一些抗病品种发病程度较轻，有一定的抗病能力，然而在农业推广过程中速度较慢，推广不及时也加快了高粱炭疽病的传播。除了高粱品种退化和推广不及时之外，粗放式的栽培管理也是导致高粱炭疽病爆发的原因之一。因具有抗旱、耐涝和耐贫瘠的特性，高粱一般种植在瘠薄地上，属于粗放式的栽培管理，有整地质量参差不齐、农药使用不当和肥料配比不合理等问题，致使高粱长势不良并且抗病能力差，加剧了高粱炭疽病的发生流行。另外，在高粱收成以后，残存在田间的茎秆不能得到恰当的回收处置和转化利用，沉积到田间会使病原菌逐渐增多，成为来年高粱炭疽病的初侵感染源。

4 高粱炭疽病病原菌及其生理分化

在高粱炭疽病病原菌的调查研究中，较早的文献里认为高粱炭疽病的致病病原菌是禾生炭疽菌(Colletotrichum graminicola Wilson)，但国外学者通过全基因组测序及基因组学分析证明，高粱炭疽病的致病病原菌为亚线孢炭疽菌(Colletotrichum sublineola Henn)，不是C.graminicola[14-16]。Sutton[17]从生物形态结构角度阐述了C.graminicola和C.sublineola两者的形态差异。随着分子技术的不断发展和广泛应用，Sherriff 等[18]首先通过ITS 序列从DNA 上找出二者的差异。Baroncelli等[19]通过C.sublineola全基因组测序以及Buiate 等[20]对于C.graminicola和C.sublineola进行基因组学方面研究分析，进一步从遗传基础上诠释了C.graminicola和C.sublineola的广泛差异，并通过回接的方式，分别对玉米和高梁进行观察，发现C.sublineola只能侵染高粱而C.graminicola仅能侵染玉米。徐婧等[21]对中国高粱产区的炭疽病发病和传播情况进行了详细的实地调查，通过调研发现，在中国的高粱产区，虽然田间炭疽病发病症状繁杂多元，但其病原菌种类均鉴定为亚线孢炭疽菌(C.sublineolum)。

国内外大量研究表明，高粱炭疽病病原菌有生理分化现象，从高粱上分离的炭疽病菌存在不同生理小种，用不同鉴别寄主可鉴别出不同生理小种。Milliano等[4]利用6 个鉴别寄主（IS4225，IS8361，954130，954062，Br64 和4206）鉴定出3 个生理小种。Sherriff等[18]采用RAPD技术，对大量的病原菌进行鉴定，以区分不同生理小种。Casela[22]采用新的生理小种命名系统，将巴西国内的高粱炭疽病病原菌分成8群32个小种，但对小种划分的合理性还需进一步调查研究。Chala 等[23]研究发现高粱炭疽病病原菌生理小种群体大、繁殖快且高度变异，品种的抗病性随着炭疽病病原菌的变异也在不断发生变化，培育对多个炭疽病病原菌生理小种有持续稳定抗性的高粱种质资源有较大的阻碍，因此筛查选择对高粱主栽地区的炭疽病病原菌生理小种有稳定抗性的材料是培育高粱抗性种质资源的根基。

5 高粱炭疽病抗性资源鉴定

作物的遗传多样性受各个地域地理位置和自然环境的影响较大，不同国家和地区的高粱种质资源和品系具有的遗传多样性也有所差别，且高粱田间鉴定受种植时节的气候条件和田间管理水平影响很大。因此需要进一步开展高粱品种的鉴定工作、对主栽品种进行田间发病情况监测，增加高粱抗性资源鉴定试验，为提高优质品种的抗病性和开展抗炭疽病育种提供更充足可靠的基础数据。

姜钰等[24]从2013 年对中国北部地区主要栽植的高粱品种进行鉴定，从中筛选到51 份抗炭疽病材料。徐婧等[25]从2016 年开始以高粱炭疽病病原菌SY-1 为试验菌株，采用人工接种方法对74份国内外高粱种质资源的抗病性进行鉴定评价，从中筛选出高度抗病资源21 份，抗病资源12 份，中度抗病资源26 份，感病资源8 份，高度感病资源7 份。2017—2018 年，徐婧等[26]完善了人工接种条件下的抗性资源筛选技术，建立了辽宁省地方标淮，利用该技术对中国目前普遍种植的300 份优良品种资源进行了抗炭疽病鉴定，筛选出表现高抗品种42 个，抗病品种64 个，中抗品种78 个，感病品种59个，高感品种57个，但未筛选出表现免疫的品种，且2年的抗性表现基本一致，筛选出的高抗品系已在育种中利用。邓小锋等[27]采用田间自然接种的试验方法，对贵州省64个地区的高粱资源进行了田间病害抗性测定和评价，鉴定出5个中度抗病的资源，38个包括红缨子在内的中度感病资源，21 个高度感病资源。5 个中度抗病资源用于抗炭疽病育种和高粱生产，取得了明显的防病增产效果。王秋月等[10]为确定四川重庆地区主要栽植的高粱品种炭疽病侵害情况，采用田间带菌种子接种的方法，对重庆地区推广的主栽品种进行了抗性鉴定，鉴定结果表明：高度抗病品种为‘川糯粱1号’，抗性品种为‘泸糯8号’，感病品种有‘红缨子’和其他3个品种，抗性级别为4级，‘渝糯粱1号’、‘青壳洋’炭疽病侵染情况最重，表现为高度感病品种。‘川糯粱1号’和‘泸糯8号’抗病能力强，并且产量均在435 kg/hm2以上，是高粱抗病资源的优质品系。这些抗性材料为炭疽病病害防范、炭疽病抗性资源育种和高粱高产种植提供了基础材料和数据支持。

Dessalegn 等[28]发现高粱炭疽病菌引起的炭疽病是埃塞俄比亚高粱的重要病害之一，培育对这种高度变异病原体的抗性品种需要鉴定新的抗性来源。Dessalegn在埃塞俄比亚不同地区采集了225个高粱地方品种，在自然感染条件下进行了田间试验，以评估炭疽病抗性，鉴定结果表明大多数来自埃塞俄比亚西部降雨量大的地区的高粱品种对炭疽病有较强的抗性。Luciano 等[29]在巴西高粱种植区发现炭疽病严重影响高粱的产量和品质，需要筛选鉴定出新的抗炭疽病资源。Cuevas 等[30]通过高粱表型分析表明，不同群体的农艺性状存在差异，筛选出55份材料对炭疽病具有抗性，这些材料代表多种抗性来源。Thomas等[31]从埃塞俄比亚、马里、苏丹和乌干达的高粱种质资源中随机选取了72份高粱种质资源进行抗病性鉴定，结果表明有26 份资源对炭疽病表现出明显的抗性反应。部分资源表现出对炭疽病病害反应存在差异。Prom 等[32]对40份来自中国的高粱进行炭疽病抗性测定和评价，筛选出PI563905、PI563960、PI563924 和PI430471 等抗性材料，此后又对来自乌干达的高粱品种进行抗炭疽病情况鉴定，筛选出一些抗病种质资源[33]，研究认为大范围收集世界各地的高粱种质资源和品系，开展抗性鉴定试验将有助于筛选和获得新的高粱抗性种质资源。

6 高粱抗炭疽病相关基因定位

植物对病原侵染的反应取决于植物与病原相互作用的遗传基础[34]。不管是植物抗病基因的表达，还是病原体致病基因的表达，一般从寄主和病原体接触开始，发生一连串相关联的生理、生化反应来改变寄主代谢特性而起效[35]。因此，植株受到病原侵袭后的变化过程实际上是植物遗传基因开始表达，到植物发生病害感染后出现表型特征的过程。许多高粱病理学家和育种家对抗炭疽病特性进行了遗传分析、抗性基因连锁研究和基因组定位，为更加深入研究高粱抗炭疽病机理，克隆抗病基因和选育优质高抗高粱品种打下了基础。筛选与炭疽病抗性基因连锁密切的分子标记是分子育种的关键，常见的分子标记有RAPD（Random Amplification Polymorphic DNA，随机扩增多态性DNA）、SCAR（Sequence characterized amplified region，序列特异性扩增区）、SSR（Simple sequence repeat，简单重复序列）和AFLP（Amplified fragment length polymorphism，扩增片段长度多态性）等。这些分子标记技术十分有效，部分分子标记技术的使用成本也较为低廉，尤其适用于筛选与炭疽病抗性基因连锁密切的分子标记。

现有的研究结果表明高粱炭疽病的抗性表现既有显性基因控制，也有隐性基因控制。Boora 等[36]利用SC326-6×BTX623的F2:3家系分析了高粱抗炭疽病的遗传特性，结果表示该抗性受一对隐性基因控制，并用300对RAPD引物对分离群体进行了解析，筛选到3对与炭疽病相关的引物，其中1 对与感病基因连锁，另2对引物与抗性基因表现共分离，但未能将这些鉴定出来的RAPD 标记定位在遗传图谱上。Panday[37]等在G73（隐性抗亲）×HC136（感亲）组合群体中，用BSA法从114 对RAPD 引物中选择出了6 对与炭疽病相关的引物，其中3对与感病基因连锁，另外3对引物与炭疽病隐性抗病基因表现共分离，进一步的分析发现有2对引物（OPI16 和OPD12）与抗病位点连锁最为紧密。Singh等[38]用G73（隐性抗亲）×HC136（感亲）组合的重组自交系群体，通过BSA 法分析表明，RAPD 标记OPJ 011437 与炭疽病抗性基因紧密连锁，与抗病位点的遗传图距为3.26 cM，位于第8 染色体长臂上。Singh 等[39]还采用了84 条随机序列分离引物对亲本HC136和G73进行多态性分析，其中有24条引物产生多态性。通过扩增分离分析，引物OPA12在抗性亲本G73中扩增出383 bp的条带，OPA12383位点与炭疽病抗性位点的距离为6.03 cM。通过克隆标记OPA12383并测序，基于已克隆的RAPD 产物序列，利用MacVector 程序设计了一对SCAR 标记SCA 12-1 和SCA12-2，由此证实，SCAR 标记SCA12 与RAPD 标记OPA12383位于同一位点，与炭疽病抗性基因相关联。

Cuevas等[40]对335个主栽高粱品种进行了关联分析研究，定位了基因组中5个炭疽病抗性相关基因，这些基因分别位于1 号和5 号染色体上。Mengistu 等[41]确定基于多样性阵列技术测序(DArTseq)的单核苷酸多态性(SNP)标记和不同高粱种群中炭疽抗性基因的全基因组关联。Clara 等[42]以抗性品种SC112-14 为材料，在美国4 个试验区对高粱重组自交系群体进行了炭疽病抗性鉴定，利用单核苷酸多态性的高密度连锁图谱进行基因组扫描，发现5号染色体和6号染色体上分别有2 个炭疽病抗性位点，距离5.25 Mb 和1.18 Mb。Katile[43]用SC155-14E（抗亲）和BTx623（感亲）构建的群体，找到了与炭疽病抗性基因连锁的3个AFLP标记(Xtxa607、Xtxa3181、Xtxa4327)和3 个SSR 标记(Xtxp3、Xtxp55、Xtxp72)，位于连锁群 B 上。Ramasamy 等[44]利用SC748-5 品种中鉴定到的显性抗性基因Cg1共分离的分子标记搜索SC748-5×BTX623杂交衍生的群体，98 个AFLP 引物组合对中有4 个与抗病性相关的AFLP 标记，其中Xtxa6227 标记位于Cg1抗病性位点1.8 cM以内，4个AFLP标记均被定位在高粱连锁群LG-05 的末端。对这条染色体的BAC克隆进行序列扫描，发现SSR 标记Xtxp549 位于Cg1抗性位点的3.6 cM 范围内，为了检验Xtxa6227 和Xtxp549 在分子标记辅助选择中的作用，对高粱SC748-5 杂交衍生的13 个育种系进行了基因分型，在13个株系中，有12个株系仍存在与Cg1位点相关的多态性，Xtxa6227和Xtxp549与Cg1基因紧密连锁，并证明这2个标记可有效地应用于高粱抗炭疽病的分子标记辅助育种中，并为Cg1基因的进一步克隆和利用提供了便利。

7 问题与展望

在全球高粱产区，炭疽病有加剧发生和流行的趋势。尤其是近年来，此病传播的范围不断扩大。在中国，炭疽病是严重影响高粱产量的病害之一，几乎遍布中国重要的高粱栽种区，部分地区由于此病造成了产量大幅下降甚至绝收，给高粱生产和优质但抗病性差的品种带来了巨大影响。高粱炭疽病的发生和传播受到自然气候条件、田间农艺措施和高粱炭疽病菌致病力变异[45]等因素影响，今后应展开更加深入的实地调查和分析研究。

高粱炭疽病的防治措施多种多样，但选育抗炭疽病品种仍然是最主要的防治方法之一。Thakur等[46]认为防范高粱炭疽病最绿色环保和经济有效的措施是培育高粱抗性种质资源和品系。Abreha等[47]认为选育高粱抗炭疽病品种是降低炭疽病导致产量损失的可持续途径。阐明高粱与炭疽病病原菌互作的分子机理，将有助于获得与目标基因连锁紧密的分子标记，以便快速有效地鉴定新的寄主植物抗性来源，了解病原菌的毒力，并促进抗性育种。近年来在不同的高粱种质资源中定位了多个抗炭疽病基因座，这些抗炭疽病基因在不同的栽培区域并不同样有效[48]。由于不同国家和地区的高粱种质资源具有丰富的遗传多样性，并且高粱炭疽病病原菌生理小种种类繁多并且繁殖变异速度快，使高粱品种的抗病性不断变化[49]，并且田间试验结果容易受到栽培地区地理位置、自然气候和田间管理水平的影响。因此，在选育高粱抗性种质资源时应针对栽培地区的高粱炭疽病病原菌生理小种，尽可能筛选出遗传多样性丰富的抗病材料，还可以混合栽植不同区域的抗炭疽病品种来降低高粱炭疽病病原菌生理小种的变异速度。随着分子生物学的迅速发展，通过分子生物学和分子标记技术能够构建连锁图谱定位并克隆高粱重要抗病基因[50]，分析高粱种质资源的遗传多样性，为高粱抗病基因组研究和高粱育种提供理论数据。