王士臻， 王教瑜， 王艷麗， 孫國倉

(農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風(fēng)險防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)與微生物研究所， 浙江 杭州 310021)

小麥?zhǔn)鞘澜缛笾饕Z食作物之一，種植面積大、分布范圍廣，是世界范圍內(nèi)種植最為廣泛的禾本科作物。2017年全世界小麥產(chǎn)量達(dá)7.71億t，僅次于玉米。然而，由于病害的影響，每年造成的小麥產(chǎn)量損失高達(dá)10%，成為危害糧食安全的重要因素。

小麥麥瘟病，1985年，首次發(fā)現(xiàn)于巴西，主要危害小麥穗部，由稻瘟病菌小麥?；?Magnaportheoryzae， sp.Triticum， MoT)侵染引起[1]。隨后，該病原菌傳播至相鄰的南美國家和地區(qū)[2-3]。由于該病害主要危害小麥穗部，一旦受到侵染，會直接造成產(chǎn)量損失[1，4-5]。巴西一半的小麥產(chǎn)區(qū)受到麥瘟病危害[1]，巴拉圭、玻利維亞等地區(qū)2009年由麥瘟病導(dǎo)致的小麥產(chǎn)量損失在50%左右[6-7]。有研究表明，即使在使用農(nóng)藥的情況下，2005年巴西小麥依然減產(chǎn)14%～32%[7]。抽穗期如遇高溫高濕天氣，受害情況會更加嚴(yán)重。該病害已成為南美小麥產(chǎn)區(qū)的重要病害，威脅當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)安全。由于沒有有效的防治措施，為防止麥瘟病進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)?shù)卣荒芊贌龜?shù)百公頃的病區(qū)小麥，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶來了嚴(yán)重的損失。自發(fā)現(xiàn)以來的30年，麥瘟病一直只在南美州地區(qū)流行傳播。然而，2016年，麥瘟病首次出現(xiàn)在亞洲的孟加拉國，2017年，該病害傳播至印度[8]。對亞洲乃至全世界的小麥生產(chǎn)形成了潛在威脅。

近年來，世界各國的科學(xué)家對麥瘟病進(jìn)行了廣泛和深入的研究，在麥瘟病菌的起源、麥瘟病趨勢預(yù)測、麥瘟病抗病基因、無毒基因的鑒定以及小麥-麥瘟病菌互作方面取得了較大進(jìn)展。目前我國還沒有麥瘟病發(fā)生的報道，但部分地區(qū)存在麥瘟病的發(fā)病條件，隨著全球氣候變暖有暴發(fā)麥瘟病的可能，應(yīng)引起重視。本文綜述了麥瘟病的病原菌、發(fā)病過程與發(fā)病條件、抗病基因和無毒基因，以及小麥-麥瘟病菌互作等方面的研究進(jìn)展。以期為加快我國麥瘟病發(fā)病機(jī)理和小麥抗性育種研究提供參考，并為預(yù)防我國麥瘟病的發(fā)生未雨綢繆。

1 病原菌及其危害

麥瘟病是由梨孢菌小麥?；?Magnaportheoryzae， sp.Triticum， MoT) 引起，無性態(tài)為灰梨孢菌 (Pyriculariaoryzae)，可侵染50多種禾本科植物，包括水稻、大麥、燕麥等栽培植物，以及牛筋草、狗尾草、馬唐等雜草。根據(jù)寄主植物的不同，梨孢菌可被分為不同的?；?，如侵染燕麥(Avenasativa)的Avena?；?MoA)；侵染水稻(Oryzaesativa)的Oryzae?；?MoO)；侵染穇子(Eleusinecoracana)的Eleusine?；?MoE)；侵染狗尾草(Setariaviridis)的Setaria?；?MoS)；以及侵染小麥(Triticumaestivum)的Triticum?；蚚1，8-10]。其中，由稻瘟病菌水稻專化型(M.oryzae， sp.Oryzae， MoO) 引起的水稻稻瘟病一直以來都是水稻生產(chǎn)上的重要病害，在全世界80多個水稻種植區(qū)均有發(fā)生。該病害可對整個水稻生育期造成侵害，形成葉瘟、穗瘟、穗頸瘟等。全世界每年由于稻瘟病而造成的水稻產(chǎn)量損失相當(dāng)于損失10%～30%的水稻種植區(qū)面積，近50億美元[11]。

稻瘟病菌侵染的生物學(xué)過程研究相對較多，該菌喜適溫高濕的環(huán)境條件，常被發(fā)現(xiàn)于深水稻田中[12-13]。在適宜的環(huán)境下，稻瘟病菌形成梨形的分生孢子，利用分生孢子侵染水稻的葉片和穗部，以菌絲體和分生孢子的形式在病谷及病稻草上越冬，翌年作為初侵染源侵染作物。麥瘟病原菌形態(tài)上與稻瘟病原菌相同，與稻瘟病不同的是，田間小麥葉瘟則并不常見，只有高感的小麥品種受麥瘟病菌侵染時才能觀察到葉瘟病斑[7]，因此，當(dāng)能夠觀察到麥瘟病發(fā)生時，穗部已經(jīng)受到麥瘟菌的侵染，呈現(xiàn)出蒼白干癟的病狀，加大了麥瘟病的防治難度。

2 麥瘟病菌的侵染過程及病狀

Cruz等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在小麥葉片受侵染時，與水稻幼葉容易受稻瘟菌侵染不同，小麥老葉更易被麥瘟菌侵染。小麥葉片或穗部受侵染后呈現(xiàn)出典型的梭形病斑，受侵染的小麥基部葉片上能夠產(chǎn)生數(shù)萬至數(shù)十萬孢子。

葉片侵染過程：麥瘟病菌菌株孢子懸浮液接種小麥葉片6 h后，在近軸葉片上開始發(fā)芽，12 h后開始分化出芽管以及附著胞，12～24 h后，附著胞附著部位葉片表面的蠟質(zhì)消失，36～72 h后，形成侵入釘，同時附著胞和孢子逐漸干癟萎縮[6]。葉片受麥瘟病菌侵染后呈現(xiàn)出梭形病斑，外緣有明顯的邊界線(圖1-A)，嚴(yán)重時病斑呈現(xiàn)出綠色水漬狀。

穗部侵染過程：同樣該病原菌孢子懸浮液接種穗部72 h后，可見大量菌絲侵入花軸，同時向上向下擴(kuò)展，引起穗部變色。120 h后，菌絲從侵染的花軸組織擴(kuò)展到外表皮以及髓部薄壁組織。168 h后，菌絲侵入木質(zhì)部導(dǎo)管、薄壁組織以及表皮。菌絲在花軸細(xì)胞同時向內(nèi)外擴(kuò)展，甚至突破細(xì)胞壁，徹底摧毀麥穗[6]。穗部受侵染時，病原菌一般從穗軸侵入，受侵染的穗部全部或部分死亡，呈白色干枯、谷粒干癟或無籽粒狀態(tài)(圖1-B)，直接影響小麥產(chǎn)量。

3 麥瘟病發(fā)生條件

氣候條件是麥瘟病大規(guī)模發(fā)生以及流行的重要因素。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，麥瘟病發(fā)生流行的最佳溫度范圍是25～30 ℃。高溫并伴有長時間的降雨，則比較容易大規(guī)模暴發(fā)麥瘟病，南美洲麥瘟病暴發(fā)流行地區(qū)的氣候特點(diǎn)是長期或者突然遭遇到高溫高濕的極端氣候，如玻利維亞、巴西等[3，15]。同樣，Islam等[16]研究認(rèn)為2016年麥瘟病在孟加拉國暴發(fā)流行是由于當(dāng)?shù)貧鉁叵噍^2015年升高了1.8～6.5 ℃，除此之外，揚(yáng)花期降雨更加重了麥瘟病的發(fā)生概率以及發(fā)病程度。 隨著全球氣候變暖加劇、病原菌菌株的不斷進(jìn)化，麥瘟病在南美及南亞以外地區(qū)傳播與流行的可能性還將持續(xù)增加。

4 麥瘟病抗性基因及無毒基因的鑒定與定位

自1985年首次報道麥瘟病以來，研究者們對世界不同地區(qū)的小麥種質(zhì)資源進(jìn)行抗性鑒定以及抗性基因定位。

4.1 抗性基因的定位

截至目前，在小麥中一共鑒定出9個抗性基因(表1)，包括Rmg1(又名Rwt4)、Rmg2、Rmg3、Rmg4、Rmg5、Rmg6、Rmg7、Rmg8、RmgGR119。Rmg1(Rwt4) 是針對Avena致病型菌株Br58具有抗病性并被定位于日本小麥品種N4(農(nóng)林4)1D染色體，該基因在高溫(27～29 ℃)亦可發(fā)揮作用，與之關(guān)聯(lián)的無毒基因(AVR-gene)為PWT4[17]。Zhan等[18]利用Triticum致病型病原菌Br48對小麥品種Tatcher進(jìn)行葉片接種，發(fā)掘抗性基因Rmg2和Rmg3并分別定位于7A和6B染色體，但該基因在高溫或穗部的抗病性較弱[19]。Nga 等[20]在小麥品種N4以及RE(Red Egyptian)中發(fā)現(xiàn)針對稻瘟菌Digitaria致病型菌株Dig41的抗性基因Rmg4、Rmg5并定位于4A和6D染色體。Rmg6對Lolium致病型菌株TP2具有抗性，定位于小麥品種N4的1D染色體[21]，相關(guān)的無毒基因?yàn)镻WT3。Tagle等[19]在四倍體小麥品種St17/St24/St25中發(fā)現(xiàn)對Triticum致病型菌株Br48具有抗性的基因——Rmg7，該基因在穗部有較好的抗性表現(xiàn)，并將其定位于St24的2A染色體。此外，Anh 等[22]在六倍體小麥S-615中鑒定出抗性基因Rmg8，定位于2B染色體，該基因在葉片、穗部抑或是高溫都能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗病性。Wang等[23]在小麥品種GR119中鑒定出抗性基因——RmgGR119，該研究表明GR119中含有兩個抗性基因，分別為Rmg8以及RmgGR119。

然而，上述已鑒定的抗病基因均存在一些缺陷，例如：Rmg2和Rmg3在高溫或者穗部的抗病性較弱；Rmg7則是在高溫下抗病性表現(xiàn)不顯著等等。

4.2 麥瘟病菌無毒基因的鑒定

植物與病原菌之間的不親和性符合基因?qū)?gene-for-gene)學(xué)說[24]，該學(xué)說是解釋植物與病原菌之間抗性互作的理論基礎(chǔ)，在稻瘟菌已鑒定出40多個AVRgene，其中19個被成功克隆[25]。

目前，在與小麥互作的梨孢菌中鑒定的AVR-gene共有3個，PWT4、PWT3(A1)以及AVR-Rmg8(表 1)。稻瘟菌Avena致病型菌株Br58中鑒定并克隆的無毒基因PWT3和PWT4，其中PWT4與Rmg1互作[17]；Lolium致病型菌種TP2中的無毒基因同樣鑒定到與Rmg6互作的無毒基因，PWT3[21]；Rmg7與Rmg8均與AVR-Rmg8相互識別[26]。其中，Inoue等[27]認(rèn)為，攜帶PWT3的菌株是造成巴西麥瘟病大暴發(fā)的重要因素。此外，Asuke等[28]在進(jìn)行梨孢菌穇屬致病型(MoE)與小麥的非親和互作的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，該致病型菌株至少存在5個無毒基因與小麥中的抗性基因互作。

表1 小麥中已鑒定的抗性基因

5 小麥抗麥瘟病能力評價方法

麥瘟病抗性基因鑒定一般分為兩種：苗期葉片抗性鑒定與成株期穗部抗性鑒定。在實(shí)驗(yàn)室條件下，葉瘟的發(fā)病程度常常作為判斷小麥材料抗感差異的評價體系。

苗期葉片抗性鑒定是利用活體接種法，即在接種前一天將小麥第一葉葉片固定在透明背板上，將調(diào)整好濃度的病原菌孢子懸浮液均勻噴施在葉片上。黑暗保濕培養(yǎng)24 h，之后將接種后的小麥繼續(xù)光暗交替培養(yǎng)3～5 d。通過觀察病斑大小、發(fā)病程度以及葉片顏色等表型，判斷小麥苗期抗性等級。根據(jù)病斑大小從0到5可被分為6個等級[23]：0，沒有明顯可見的侵染點(diǎn)；1，針孔型斑點(diǎn)；2，小的病斑(<1.5 mm)；3，病斑中等大小但分布稀疏(<3 mm); 4，大而典型的病斑；5，葉片完全枯萎。此外，還需要明確病斑顏色，如B代表褐色，G代表綠色。例如，侵染類型3B代表中等大小的褐色病斑。等級0～5并為褐色病斑被定義為抗病，而3G、4G、5G則被定義為感病(圖2)。

由于小麥麥瘟病是穗部病害，因此，小麥穗部的抗性表現(xiàn)被認(rèn)為是判斷抗性基因抗病能力以及抗性基因是否穩(wěn)定表達(dá)的依據(jù)。穗部抗性鑒定與苗期鑒定基本相同，將收集到的麥穗插入含有清水的試管中，并將一定濃度的孢子懸浮液均勻噴施在小麥穗部(包括穗頸)。黑暗保濕培養(yǎng)24 h，之后將其取出，繼續(xù)光暗交替培養(yǎng)7～10 d。通過記錄病斑大小、發(fā)病程度以及穎片顏色等表型觀測發(fā)病情況，明確抗性等級。與葉片等級相似，根據(jù)病斑大小從0到5可被分為6個等級[19]：0，沒有明顯可見的侵染點(diǎn)；1，針孔型斑點(diǎn)；2，小的病斑(<1.5 mm)；3，病斑中等大小但分布稀疏(<3 mm); 4，白綠色病斑且無明顯由于過敏性反應(yīng)而產(chǎn)生的褐色病斑；5，麥穗完全枯萎。侵染等級0-3被定義為抗病，而4和5則被定義為感病(圖3)。

此外，我們利用浙江省采集的稻瘟菌株對國內(nèi)收集的小麥品種進(jìn)行了初步篩選。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分的小麥品種，包括葉片和穗部，均可被稻瘟菌侵染，并形成典型的瘟病病斑。這表明我國小麥對稻瘟菌株并不存在集體免疫的情況，隨著稻瘟菌株不斷變異，在合適的環(huán)境條件下，國內(nèi)的稻瘟菌株可能發(fā)生寄主躍遷，侵染小麥，威脅我國小麥安全生產(chǎn)。

6 梨孢菌與小麥間的互作

日本神戶大學(xué)Yukio Tosa團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，寄主跳躍是梨孢菌侵染小麥的契機(jī)，推測是由于80年代初巴西廣泛種植rwt3小麥，為攜帶PWT3的某些稻瘟病菌的存在及繁殖提供了便利條件。PWT3為稻瘟菌株Br58中分離鑒定的無毒基因，與之互作的抗病基因?yàn)镽wt3，該研究表明這些含有rwt3的小麥品種是侵染黑麥草屬 (Lolium)的稻瘟菌株發(fā)生寄主跳躍的一塊跳板，使梨孢菌成功侵染小麥，導(dǎo)致巴西麥瘟病大暴發(fā)[27]。Asuke等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在所有Eleusine(Ec-II) 致病型菌株中均存在具有功能的PWT3等位基因，可被Rwt3識別，在對P.oryzae的不同致病型，如Eleusine、Lolium以及Avena的互作中具有制約作用，證明Rwt3是小麥中重要的抗性基因。此外，該團(tuán)隊(duì)早期鑒定的抗病基因Rmg8，被認(rèn)為是針對麥瘟病原菌抗病能力強(qiáng)且穩(wěn)定的抗性基因，Wang等[23]研究表明，RmgGR119可與Rmg8協(xié)作，無論在苗期還是穗期，抑或是高溫情況下均可表現(xiàn)出完全抗病性。然而，Inoue等[31]發(fā)現(xiàn)PWT4對抗病基因Rmg8的表達(dá)具有抑制作用，同時PWT4關(guān)聯(lián)的抗性基因Rwt4可以抵消PWT4對Rmg8的抑制作用。通過此次的研究發(fā)現(xiàn)，Rmg8的抗性可能被削弱，進(jìn)一步加大了麥瘟病全球暴發(fā)的風(fēng)險以及防治難度。

7 問題與展望

在麥瘟病發(fā)生之前，1936年的報道稱麥瘟菌早已在巴西存在[5]；發(fā)生麥瘟病后，美國肯塔基州立大學(xué)研究人員曾在美國發(fā)現(xiàn)受麥瘟病菌侵染的小麥植株，該菌株(MoL)在美國已存在16年之久[15]。然而，美國并沒有發(fā)生麥瘟病的大流行推測可能是由于氣候條件目前還不適宜麥瘟病的流行。

周益林等[32]、曹學(xué)仁等[33]研究分析認(rèn)為，我國云南、廣東、廣西以及海南等具有高溫高濕氣候條件的地區(qū)存在暴發(fā)麥瘟病的潛在可能，隨著全球溫度升高，高溫高濕的氣候加劇，無疑為該病害提供了傳播、流行的有利條件，無論我國或是全球遭受麥瘟病原菌侵害的地區(qū)將進(jìn)一步擴(kuò)大。盡管目前我國還未有小麥?zhǔn)茺溛敛≡秩镜膱蟮?，但基于我們前期的研?資料未發(fā)表)，大部分的稻梨孢菌均可侵染我國大多數(shù)的小麥品種。此外，我們還發(fā)現(xiàn)除了大部分小麥易受侵染之外，某些來自同一地區(qū)的小麥表現(xiàn)出良好抗病性，我們推測該抗病性由同一個抗性基因控制，結(jié)合Wang等[23]對世界范圍內(nèi)收集的520多個小麥品種進(jìn)行初篩選時的報道，520個小麥品種中僅有20多個品種表現(xiàn)出抗性，且其中18個小麥品種的抗病性均只由Rmg8控制。由此可見：(1)我國的小麥品種從種質(zhì)而言有被麥瘟菌侵染的可能性或者稻梨孢在氣候條件適宜的情況下，存在類似巴西麥瘟病菌發(fā)生寄主跳躍的可能；(2)無論從世界范圍內(nèi)還是我國的小麥種質(zhì)資源來看，小麥本身存在的梨孢菌抗性基因均十分稀缺，且較為單一，進(jìn)一步加大了麥瘟病在我國或是全球流行的風(fēng)險。

由于目前針對麥瘟病并沒有行之有效的防治方法，因此，選育和利用抗病品種被認(rèn)為是當(dāng)前既經(jīng)濟(jì)且環(huán)境友好的防治措施，能夠有效減少病害帶來的直接或間接損失。而在實(shí)際生產(chǎn)中，若大面積、長時間使用含有單一抗性基因的抗性品種，隨著致病菌種的變異，小麥致病小種上升，最終往往導(dǎo)致抗性喪失。Wang等[23]提出由于Rmg8是存在范圍較廣且抗病能力較強(qiáng)的一個抗病基因，RmgGR119與Rmg8同時存在時，彼此的協(xié)同作用進(jìn)一步促進(jìn)了抗性基因的表達(dá)，因此，在選育抗性品種時，應(yīng)考慮將RmgGR119和Rmg8同時轉(zhuǎn)入小麥品種中，以實(shí)現(xiàn)抗性能力的疊加，且多種抗性基因的富集不易使寄主抗性喪失。此外，小麥麥瘟病是穗部病害，抗病基因是否可以在穗部良好表達(dá)直接影響發(fā)病嚴(yán)重程度以及小麥產(chǎn)量。因此，尋找廣譜、高效且能在穗部良好表達(dá)的抗病基因仍是目前針對麥瘟病抗病育種的關(guān)鍵。

在2011年APS國際會議上，Duveiller等[34]曾通過分析預(yù)測印度、孟加拉國以及埃塞俄比亞存在暴發(fā)麥瘟病的潛在風(fēng)險。如今麥瘟病已在孟加拉國及印度相繼發(fā)生，再一次證明了該病害可以在南美洲之外的任何環(huán)境適宜的地區(qū)傳播、流行及暴發(fā)。下一個受侵害的國家會是埃塞俄比亞，還是其他國家或地區(qū)？孟加拉國會不會是第二個“巴西”？我國與孟加拉國鄰近、與印度接壤，小麥年產(chǎn)量居世界首位，若麥瘟病成功入侵我國，勢必會給我國小麥帶來嚴(yán)重的威脅。全球性氣候變暖，厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)，均為該病害提供了傳播、流行的有利條件，無疑將會加劇麥瘟病的傳播與暴發(fā)風(fēng)險，使其在全球包括中國的潛在分布范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，因此，加強(qiáng)麥瘟病研究，增加對該病的了解和知識儲備，方可防患于未然。

綜上，本研究認(rèn)為，我國的研究者應(yīng)盡快開展對麥瘟病的發(fā)生、防治、流行等方面的研究。首先應(yīng)針對我國現(xiàn)有的小麥品種進(jìn)行抗病性評估，針對具有抗性表現(xiàn)的小麥品種，發(fā)掘、定位抗性基因，為抗性品種育種提供理論基礎(chǔ)。其次，還應(yīng)對小麥-麥瘟病菌間的互作機(jī)制進(jìn)行研究，分離和鑒定病菌中的相關(guān)致病基因，為尋求有效防治方法，提供分子理論基礎(chǔ)，為麥瘟病的防治以及選育持久有效抗性品種奠定必要的基礎(chǔ)。最后，研究者或研究機(jī)構(gòu)也應(yīng)加強(qiáng)同麥瘟病發(fā)生國以及麥瘟病研究中心的技術(shù)交流與合作，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)育種，為我國預(yù)防麥瘟病發(fā)生做出準(zhǔn)備。