楊 洋 陳國康 郭 成 張 煒 孫素麗 王曉鳴 朱振東 段燦星,*

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玉米種質(zhì)資源抗腐霉莖腐病鑒定

楊 洋1,2,**陳國康1,**郭 成3張 煒1孫素麗2王曉鳴2朱振東2段燦星2,*

1西南大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 重慶 400715;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 國家農(nóng)作物基因資源與基因改良重大科學(xué)工程, 北京 100081;3甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 甘肅蘭州 730070

腐霉莖腐病(stalk rot)是玉米生產(chǎn)上的重要病害。2013—2016年, 對1213份玉米種質(zhì)資源進(jìn)行了抗腫囊腐霉()莖腐病的鑒定與評價(jià)。在1213份玉米種質(zhì)中, 鑒定出高抗腫囊腐霉莖腐病的材料207份, 占鑒定總數(shù)的17.1%, 主要來自中國的內(nèi)蒙古、河北、山西及美國等地。抗性材料159份, 占鑒定材料數(shù)的13.1%, 主要由源自中國的內(nèi)蒙古、云南、山西和美國等地的種質(zhì)構(gòu)成。由此可見, 玉米種質(zhì)中存在較為豐富的抗腐霉莖腐病資源, 且抗性水平與地理來源有關(guān)。自交系和農(nóng)家種中對腫囊腐霉莖腐病表現(xiàn)高抗的種質(zhì)分別占鑒定種質(zhì)總數(shù)的18.7%和10.6%, 表明自交系中高抗腫囊腐霉莖腐病資源較農(nóng)家種更為豐富。

玉米; 腫囊腐霉; 莖腐病; 抗性鑒定

玉米莖腐病是一種世界性的土傳病害, 也是威脅我國玉米生產(chǎn)的重要病害之一[1]。莖腐病不僅造成玉米嚴(yán)重減產(chǎn), 還導(dǎo)致品質(zhì)顯著下降; 在我國玉米生產(chǎn)機(jī)械化粒收日益普及的今天, 該病對玉米產(chǎn)量的損失愈加凸顯。玉米莖腐病致病菌比較復(fù)雜, 目前已知的有20余種, 我國的主要為腫囊腐霉()和禾谷鐮孢()兩大類[2-3], 而國外多報(bào)道由鐮孢菌引起的莖腐病[4]。

近年來, 由于生產(chǎn)上大面積種植的品種多對莖腐病感病, 再加上氣候條件、病原菌數(shù)量、毒性以及人們種植模式的改變, 我國玉米莖腐病的發(fā)生有逐年加重的趨勢[3,5]。選育和推廣抗病品種是防治玉米莖腐病并減少玉米產(chǎn)量損失的最為經(jīng)濟(jì)、有效的途徑, 而有效鑒定和評價(jià)抗病性, 篩選抗性較好的種質(zhì)資源是玉米抗莖腐病育種的基礎(chǔ)和前提[6]。玉米品種之間對腐霉莖腐病的抗性差異比較大[7], 國內(nèi)已鑒定和篩選出一些抗性種質(zhì)。王富榮等[8]在1991—1995年間采用自然發(fā)病和人工土壤接種方法鑒定了1550份玉米品種對莖腐病的抗性, 所用菌株為腫囊腐霉()和串珠鐮刀菌(), 結(jié)果顯示, 表現(xiàn)高抗的397份, 中抗的304份。宋燕春等[9]在2010—2011年間采用人工接種方法, 對287份玉米自交系進(jìn)行抗腫囊腐霉莖腐病鑒定, 表明, 有43份材料表現(xiàn)高抗, 95份材料表現(xiàn)高感。前人研究表明, 我國玉米種質(zhì)資源中蘊(yùn)藏著較為豐富的抗玉米莖腐病資源, 但能夠在育種中利用的高抗莖腐病的自交系極少。因此, 廣泛收集和進(jìn)一步鑒定國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)抗病資源十分必要。

本試驗(yàn)于2013—2016年采用人工接種腫囊腐霉對我國玉米1213份材料的莖腐病抗性進(jìn)行田間鑒定和評價(jià), 以期篩選出一批對腐霉莖腐病具有穩(wěn)定抗性的種質(zhì)資源, 為開展抗病遺傳研究和培育抗腐霉莖腐病玉米品種提供基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 供試植物材料

玉米腐霉莖腐病抗性鑒定材料1213份, 包括975份自交系、235份農(nóng)家種及3份國內(nèi)群體, 分別占總材料的80.4%、19.4%和0.2%, 對照材料為對莖腐病表現(xiàn)抗病的自交系齊319和對莖腐病表現(xiàn)感病的自交系掖478; 抗病標(biāo)記基因型分析種質(zhì)共196份, 包括182份自交系和14份農(nóng)家種。供試材料具有較廣泛的地理分布, 均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物種質(zhì)資源保護(hù)與研究中心提供。

1.2 腐霉莖腐病抗性鑒定

1.2.1 菌株培養(yǎng)繁殖及接種 抗性鑒定所用的腐霉菌株為強(qiáng)致病力腫囊腐霉, 菌株由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所種質(zhì)資源抗病蟲評價(jià)創(chuàng)新研究組分離、純化和保存。將腐霉菌接種在PDA平板培養(yǎng)基上培養(yǎng)1周左右, 至菌絲體長滿整個(gè)平板, 保存于10℃, 即可用于接種物的擴(kuò)大繁殖。選用玉米籽粒作為腐霉菌再擴(kuò)繁的培養(yǎng)基。首先, 將清洗好的玉米籽粒在水中浸泡過夜, 煮沸0.5 h, 裝入500 mL三角瓶, 于121℃滅菌65 min, 待滅菌籽粒冷卻至室溫, 將培養(yǎng)好的腐霉菌切成小塊, 每個(gè)三角瓶放4~6塊, 在25℃黑暗培養(yǎng)15 d, 菌絲布滿玉米粒后即可接種。

在玉米十葉期采用土埋傷根法接種[10-11]。接種前, 將培養(yǎng)好的帶有腐霉菌的玉米粒倒在一起混合均勻; 接種時(shí), 將玉米根系一側(cè)的土壤豎直向下刨開, 切斷部分根系, 將病原培養(yǎng)物30 g左右接種在露出的根系處; 接種后覆土并灌溉, 保證田間具有適宜的濕度, 以利病原菌侵染繁殖。

1.2.2 抗病鑒定圃的設(shè)置 2013—2016年將鑒定圃設(shè)置在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所昌平試驗(yàn)站。鑒定材料播種時(shí)間為每年的5月初, 鑒定小區(qū)行長5.0 m, 行距0.7 m, 每份材料2行, 小區(qū)隨機(jī)排列, 每行留苗25株左右; 每隔50行設(shè)對照材料, 以齊319為抗病對照, 掖478為感病對照。對鑒定出的抗性(含高抗和抗病)種質(zhì), 次年采用相同方法重復(fù)鑒定[1]。實(shí)驗(yàn)小區(qū)的土壤肥力水平適宜, 田間管理措施同生產(chǎn)田。

1.2.3 腐霉莖腐病抗性評價(jià) 采用植株基部莖節(jié)發(fā)病調(diào)查法[12], 9月份, 待玉米進(jìn)入蠟熟期后, 按行以手指按捏地表上方第2莖節(jié), 莖稈發(fā)生空、軟者即為發(fā)病株, 莖節(jié)明顯變褐也為發(fā)病株; 計(jì)數(shù)每份鑒定材料的總株數(shù)和發(fā)病株數(shù)。發(fā)病株率(%)=發(fā)病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù)×100。病情分級、抗性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 玉米對腐霉莖腐病抗性的發(fā)病級別及抗性劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米種質(zhì)資源對腐霉莖腐病的抗性鑒定與評價(jià)

2013—2016年期間對1213份玉米種質(zhì)資源進(jìn)行腐霉莖腐病抗性鑒定, 其中抗病對照材料齊319在4年間穩(wěn)定表現(xiàn)高抗(HR), 發(fā)病率為3.5% (2013)、1.3% (2014)、2.5% (2015)和2.0% (2016), 感病對照材料掖478表現(xiàn)高感(HS), 發(fā)病率為44.2% (2013)、50.5% (2014)、66.8% (2015)、59.7% (2016), 因此4年的鑒定結(jié)果是有效的。經(jīng)鑒定, 不同玉米種質(zhì)對腐霉莖腐病的抗性表現(xiàn)出明顯的差異, 發(fā)病率最高達(dá)100%, 最低為0。

1213份玉米種質(zhì)中篩選出高抗腫囊腐霉莖腐病的材料207份(表2), 占鑒定總數(shù)的17.1%, 主要來自中國的內(nèi)蒙古、河北、山西及美國等地?？剐圆牧?59份, 占鑒定材料數(shù)的13.1%, 主要由源自中國內(nèi)蒙古、中國云南、中國山西、美國等地的種質(zhì)構(gòu)成。中抗(MR)、感病(S)和高感(HS)材料各211、321和312份, 分別占比17.4%、26.5%和25.7%。從上述鑒定結(jié)果可以看出, 我國玉米種質(zhì)中存在較為豐富的抗腐霉莖腐病資源, 對于抗病品種的選育和品種的抗性改良具有重要意義。

2.2 不同類型玉米種質(zhì)對腐霉莖腐病的抗性水平

在鑒定的975份自交系材料中, 對腫囊腐霉莖腐病表現(xiàn)高抗(HR)的182份, 占鑒定材料總數(shù)的18.7%; 抗病(R)自交系共126份, 占鑒定材料總數(shù)的12.9%; 表現(xiàn)中抗、感病、高感的自交系各占鑒定材料總數(shù)的17.0%、26.9%和24.9%。在鑒定的235份農(nóng)家種中, 有25份表現(xiàn)高抗(HR), 占鑒定材料總數(shù)的10.6%; 33份表現(xiàn)抗病(R), 占鑒定材料總數(shù)的14.0%; 表現(xiàn)中抗、感病、高感的各占鑒定材料總數(shù)的20.9%、25.1%和29.4% (圖1)。上述鑒定結(jié)果表明不同玉米種質(zhì)對腐霉莖腐病的抗性水平存在一定差異, 玉米自交系中對腐霉莖腐病高抗資源較農(nóng)家種豐富, 自交系中含有豐富的抗性(含HR和R)資源。

2.3 不同地理來源的玉米種質(zhì)對玉米腐霉莖腐病的抗性水平

在鑒定的1213份玉米種質(zhì)資源中, 865份來自國內(nèi), 篩選到高抗腐霉莖腐病的材料169份, 占比19.5%, 主要來自內(nèi)蒙古、山西和河北; 抗性材料133份, 占比15.4%, 主要來自內(nèi)蒙古、山西和云南。在來自國外的348份種質(zhì)資源中, 篩選到高抗和抗性材料分別為38份和26份, 占比10.9%和7.5%。在河北、內(nèi)蒙古、山西、云南和貴州的種質(zhì)中, 抗腐霉莖腐病的材料(含HR和R)分別為25份、114份、55份、38份、21份, 分別占其總數(shù)的39.7%、35.1%、34.8%、31.7%和32.3%。上述結(jié)果表明不同地理來源的玉米種質(zhì)對腐霉莖腐病的抗性以及抗性多樣性存在一定差異(表3)。

表2 對腐霉莖腐病表現(xiàn)高抗(HR)的部分玉米種質(zhì)

HR: highly resistant.

3 討論

在國家玉米品種區(qū)域試驗(yàn)中, 多年來一直非常重視莖腐病的抗性鑒定, 對莖腐病表現(xiàn)高度感病的品種作為一票否決處理[9]。我國玉米種質(zhì)資源非常豐富, 但大部分對玉米腐霉莖腐病的抗性水平尚不明了, 為探明這些種質(zhì)對腐霉莖腐病的抗性, 為抗病育種工作提供有效的數(shù)據(jù), 持續(xù)進(jìn)行抗腐霉莖腐病鑒定工作十分必要。中國國家作物種質(zhì)庫中已收集和保存玉米種質(zhì)21 000余份, 是世界上最具有廣泛代表性的遺傳資源中心之一, 其中蘊(yùn)含大量的基因資源。本研究中的資源材料均來自國家種質(zhì)庫, 具有較強(qiáng)的代表性。鑒定結(jié)果表明, 我國玉米種質(zhì)資源中蘊(yùn)藏著較為豐富的腐霉莖腐病抗性資源, 且不同種質(zhì)類型和不同地理來源的種質(zhì), 其整體抗性存在較大的差異。

圖1 975份自交系和235份農(nóng)家種對腐霉莖腐病的抗性鑒定結(jié)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 不同地理來源的玉米種質(zhì)對玉米腐霉莖腐病的抗性統(tǒng)計(jì)

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

在鑒定的975份自交系材料中, 對腫囊腐霉莖腐病表現(xiàn)高抗、抗性、中抗的材料各占18.7%、12.9%和16.6%。這與前人在研究中認(rèn)為玉米自交系種質(zhì)資源中對腐霉莖腐病表現(xiàn)高抗的材料較少的結(jié)論不一致, 以上抗性鑒定結(jié)果間的差異, 主要由以下因素所致: (1)鑒定的玉米材料種類不同; (2)鑒定者接種用病原菌分離物的差異; (3)不同鑒定工作所處的環(huán)境條件缺乏一致性[13]即地域間鑒定環(huán)境的差異以及年度間環(huán)境的差異; (4)鑒定材料的來源不同: 許多自交系在不同的育種家手中都經(jīng)過了一定的改良, 因此同名自交系會存在明顯的性狀差異, 而鑒定者獲得材料的途徑是不同的[14]。

在鑒定的235份農(nóng)家種中, 對腫囊腐霉莖腐病表現(xiàn)高抗、抗性、中抗的材料各占10.6%、14.0%和20.9%。表明玉米自交系中對腐霉莖腐病高抗資源最多, 而農(nóng)家種中抗資源稍多一些, 高抗相對較少。玉米農(nóng)家種是各個(gè)地區(qū)為了適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境和土壤類型, 經(jīng)過長時(shí)間的自然選擇和人為選擇而形成的, 因此農(nóng)家種在抗病害的同時(shí)還要具有豐產(chǎn)的潛力。高抗的資源隨著病原菌種類的變化和病原菌致病力的增強(qiáng)易喪失抗性, 中抗資源多數(shù)是多基因控制的抗性, 抗性較穩(wěn)定, 不易喪失。此外, 一些高抗的資源農(nóng)藝性狀不理想, 所以在多種因素的影響下易出現(xiàn)農(nóng)家種對腐霉莖腐病表現(xiàn)中抗占多數(shù)的情況[15-16]。雖然中國的玉米農(nóng)家種在生產(chǎn)上應(yīng)用較少, 但卻攜帶著許多優(yōu)良抗病基因。目前我國玉米育種的遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄, 發(fā)掘和利用農(nóng)家種中抗病基因?qū)τ诂F(xiàn)代玉米品種改良具有重要的意義。

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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

段燦星, E-mail: duancanxing@caas.cn**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

楊洋, E-mail: 1324746330@qq.com; 陳國康, E-mail: chenguokang@swu.edu.cn

2018-01-05;

本研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0100103), 作物種質(zhì)資源保護(hù)專項(xiàng)(2017NWB036-12)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程資助。

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