張軍剛, 郭海斌, 許海濤, 馮曉曦, 許 波, 王成業(yè)

(駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/河南省玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系駐馬店綜合試驗站,河南駐馬店 463000)

玉米用途廣泛、種植簡單,是我國目前種植面積最大、產(chǎn)量最高的作物,在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要的戰(zhàn)略地位。因此,玉米的安全生產(chǎn)對于保障糧食安全和經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。玉米南方銹病是由活體營養(yǎng)型真菌多堆柄銹菌侵染而引起的一種氣流性傳播病害,主要發(fā)生在熱帶、亞熱帶玉米種植區(qū)[1]。該病害在我國首次發(fā)現(xiàn)于海南省樂東縣,目前已蔓延至廣東、廣西、河南等22個省份,逐漸成為我國黃淮海夏玉米生產(chǎn)區(qū)和南方玉米生產(chǎn)區(qū)的主要病害[2-4]。

玉米南方銹病主要發(fā)生在生長后期,危害玉米葉片,病害暴發(fā)流行時,感病葉片被夏孢子堆覆蓋,嚴重影響葉片的光合作用,導(dǎo)致葉片干枯死亡,籽粒灌漿提前終止,造成減產(chǎn)。Rodriguez-Ardon等進行了多堆柄銹菌侵染抗感近等基因系試驗,結(jié)果顯示,南方銹病最高可使玉米產(chǎn)量減少45%[5]。隨著全球氣候變暖,玉米南方銹病在北半球的發(fā)生區(qū)域呈擴大趨勢[6],我國的玉米生產(chǎn)面臨著更嚴峻的挑戰(zhàn)。雖然可以通過殺菌劑防治南方銹病[7-8],但南方銹病發(fā)生具有暴發(fā)性、間歇性,防治困難,還會造成環(huán)境污染,增加成本。因此,選育并推廣種植高產(chǎn)抗病品種是防控玉米南方銹病最經(jīng)濟、有效的措施。

1 病原生物學(xué)和病害流行學(xué)

1.1 南方銹病病原菌研究現(xiàn)狀

多堆柄銹菌于1891年在美國阿拉巴馬州首先被發(fā)現(xiàn),1897年正式定名[9]。夏孢子淡黃色至金黃色,單胞,近球形,大小為(23～30) μm×(28～37) μm,表面著生有密集的刺突,赤道線上有4～5個發(fā)芽孔,夏孢子進一步萌發(fā),形成夏孢子堆及次生夏孢子堆,產(chǎn)生“衛(wèi)星孢子堆”現(xiàn)象。冬孢子僅偶爾在晚熟玉米植株上發(fā)現(xiàn),性孢子期與銹孢子期未詳[2,10]。

多堆柄銹菌存在明顯的生理分化現(xiàn)象。先后在非洲和美洲鑒定到10個生理小種,分別為EA.1[11]、EA.2[12]、EA.3[13]、PP.3～PP.8[14]、PP.9[15]。由于2份多堆柄銹菌生理小種鑒別寄主的丟失,因此對多堆柄銹菌生理小種的鑒定遇到困難[16]。Casela等在1999—2000年利用50個雜交種對采自巴西4個地區(qū)的60份多堆柄銹菌進行鑒定,獲得17個毒力型[17]。2008年,Dolezal等在美國喬治亞州發(fā)現(xiàn)對Rpp9基因有毒力的新菌株[18]。Unartngam等利用5對簡單重復(fù)序列區(qū)間(ISSR)標記對采自泰國的36份多堆柄銹菌樣品進行多樣性分析,結(jié)果將多堆柄銹菌劃分為13個群,顯示菌群具有良好的遺傳多樣性[19]。邢國珍采集河南、海南和重慶的菌株進行序列比對,發(fā)現(xiàn)3個地區(qū)病菌的遺傳多樣性不豐富,并且沒有明顯的亞群體遺傳分化[20]。而郭云燕等的研究表明,病菌的遺傳變異與地域及年份均有關(guān)系[16,21]。

1.2 病害流行條件

玉米南方銹病的發(fā)生和流行是寄主植物、病原菌、環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。目前,推廣的一些玉米品種大多感病是病害流行的主要原因[22-23]。多堆柄銹菌不能在我國北方玉米種植區(qū)越冬而形成一個完整的侵染鏈,病原菌的初侵染源主要由不定期形成的熱帶氣旋和西南季風(fēng)所攜帶,因此南方銹病的發(fā)生具有不確定性[24]。關(guān)于環(huán)境因素方面的研究較多。楊雪等研究發(fā)現(xiàn),玉米南方銹病的發(fā)病溫度為15～31 ℃,最適發(fā)病溫度為24～27 ℃[25]。鄢洪海等的研究表明,玉米南方銹菌最適宜的孢子萌發(fā)濕度是在水膜中,相對濕度低于90%時很少萌發(fā);最適宜溫度為26～28 ℃,低于14 ℃和高于 34 ℃ 時幾乎不萌發(fā)[23]。Hollier等的研究表明,26 ℃ 16 h為多堆柄銹菌侵染玉米的最適條件,低于 12 ℃ 和高于 36 ℃ 不萌發(fā)[26]。夏孢子萌發(fā)對光不敏感[27];萌發(fā)的pH值范圍為3～10,最適pH值為7;碳(C)源可以促進夏孢子的萌發(fā),氮(N)源抑制夏孢子的萌發(fā)[28]。適宜的發(fā)病條件下,玉米全生育期接種均可發(fā)病,苗期最易感病,隨著生育期的增長感病性降低[29]。

2 玉米抗南方銹病種質(zhì)資源的鑒定與篩選

通過田間自然感病或接種病原菌等方法從大量的材料中鑒定篩選抗性資源,是玉米核心骨干種質(zhì)抗性改良和抗病品種選育的基礎(chǔ),也為抗病基因挖掘提供了寶貴的遺傳材料。在抗南方銹病種質(zhì)資源鑒定篩選上,國內(nèi)學(xué)者利用人工接種病原菌和自然田間發(fā)病對來源廣泛的玉米種質(zhì)資源進行抗性篩選和評價,篩選出部分抗性良好的種質(zhì)。李石初等運用人工接種病原菌的方法,從1 218份玉米材料中,篩選出24份對南方銹病表現(xiàn)高抗的材料,如齊319、X178、遼2202、K36等,占鑒定材料的1.97%[30]。黃飛燕運用人工接種病原菌的方法,從國家種質(zhì)資源庫收藏的1 136份玉米種質(zhì)資源中篩選出高抗材料28份,抗病材料81份,中抗材料340份[31]。江凱等采用人工接種病原菌的方法,從 1 589 份玉米材料中篩選出26份高抗南方銹病的材料,如X178、遼2202、K36、SW-40、八十天、老來秕等[32]。杜青等對379份玉米種質(zhì)資源經(jīng)過人工接種鑒定,在來自國際小麥玉米改良中心的352份玉米自交系中,表現(xiàn)為高抗和抗的自交系共243份;15份玉米雜交種中,表現(xiàn)為抗或中抗的有10份;12份溫帶自交系中,表現(xiàn)為高抗和抗有的2份,為P138和X178[33]。韓麗蘋通過田間人工接種鑒定,在103份自交系中篩選出9份高抗材料(S37、P178、CML305、CML307、CML411、CML470、CML496、CML497和K22)和16份抗病材料(P138、526018等)[34]。姚國旗等在引進的34份熱帶、亞熱帶自交系中鑒定得到11份南方銹病抗性新種質(zhì)[35]。陳文娟等運用人工接種的方法,從903份玉米材料中,篩選出丹3130、164、冀186等高抗南方銹病的種質(zhì)8份、抗病材料29份、中抗材料100份[36]。Zhou等在對253個玉米自交系進行2年2地南方銹病抗性鑒定,18個自交系(43.7、DH02、Zheng39、T2、JH3372等)抗性表現(xiàn)與對照齊319相同或顯著高于對照[37]。劉秀峰等在海南對161份玉米自選種質(zhì)進行南方銹病抗性鑒定,其中100份表現(xiàn)為高抗和抗,未發(fā)現(xiàn)對玉米南方銹病免疫的種質(zhì)材料[38]。蒙成等通過人工接種病原菌,在76份外引改良玉米自交系中篩選出寶335、M36、東正1、太99-2等高抗玉米南方銹病5份[39]。段燦星等于2016—2019年間在田間自然發(fā)病條件下對2 000份遺傳背景豐富的玉米種質(zhì)資源進行多年多點的抗病性鑒定,由于各個鑒定圃均未充分自然發(fā)病,因此,調(diào)查數(shù)據(jù)不能真實體現(xiàn)種質(zhì)的抗性水平,抗病種質(zhì)的數(shù)據(jù)僅供參考[40]。田耀加等結(jié)合人工接種病原菌和田間自然發(fā)病對710份鮮食玉米自交系材料進行南方銹病抗性鑒定,僅有3份糯玉米材料、1份甜玉米材料和1份甜加糯玉米材料共5份材料高抗南方銹病[41]。陳文娟等進一步利用分子標記對篩選到的抗性種質(zhì)進行了遺傳多樣性分析并在此基礎(chǔ)上進行聚類分析(表1)[36,42],可以為抗病育種中合理利用抗源提供信息,加快抗病新品種的選育。

表1 部分抗源雜種優(yōu)勢群分類

綜上,學(xué)者們經(jīng)過多年努力,篩選、創(chuàng)制了不少玉米南方銹病抗源,但多數(shù)抗源為熱帶、亞熱帶引進種質(zhì)和農(nóng)家種,可直接利用的溫帶種質(zhì)較少。由于熱帶、亞熱帶種質(zhì)和農(nóng)家種農(nóng)藝性狀較差無法直接利用,且材料創(chuàng)新周期長、難度大,在育種上成功利用的較少。如果能夠充分研究和利用這些抗性資源,將會豐富抗性材料的多樣性,促進玉米抗南方銹病遺傳育種取得進展。

3 玉米對南方銹病的抗性遺傳

關(guān)于玉米南方銹病的抗性遺傳,不同的親本遺傳材料具有不同的抗性遺傳特性,有的表現(xiàn)為單基因控制的質(zhì)量性狀遺傳,有的表現(xiàn)為多基因控制的數(shù)量性狀遺傳。姚國旗等用不同的自交系進行了玉米對南方銹病的抗性遺傳研究,結(jié)果表明,玉米對南方銹病的抗性遺傳方式因自交系而異[35]。Zummo等研究認為,玉米對南方銹病表現(xiàn)為部分抗性,抗性水平可用病斑嚴重度、病斑大小、病斑腫脹度和孢子形成來評價[43]。王文潔等以自交系K381(抗病)和LX9801(感病)以及由它們配制的F1、F2、F3、BC1F1、BC2F2幾個世代的發(fā)病情況進行統(tǒng)計分析,推測K381攜帶的抗性基因為顯性單基因[44]。杜青等的研究表明,對玉米南方銹病抗性遺傳以加性效應(yīng)為主,同時具有一定的非加性效應(yīng),抗性表現(xiàn)受環(huán)境影響較大[45]。由于所選用試驗材料的不同或所利用的病原菌菌株差異,試驗結(jié)果不盡相同,因此明確抗性種質(zhì)對南方銹病的抗性遺傳機制,對于抗性基因/數(shù)量性狀基因座(QTL)的發(fā)掘與精細定位,開展分子標記輔助育種、提高育種效率具有重要的促進作用。

4 玉米對南方銹病的基因/QTL定位

根據(jù)對不同多堆柄銹菌生理小種的抗性差異,國際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的玉米南方銹病抗性基因有11個,分別為Rpp1～Rpp11。Rpp1是在材料AFRO.29中鑒定到的,對生理小種EA.1表現(xiàn)為專化抗性,為完全顯性基因;Rpp2是在材料AFRO.24中鑒定到的,對生理小種EA.1和EA.2都具有抗性,為不完全顯性基因,經(jīng)驗證這2個基因并非等位基因[46]。Rpp3～Rpp8是利用11個玉米材料對生理小種 PP.3～PP.8的抗性差異而推導(dǎo)出的抗病基因[14]。Rpp9是在玉米種質(zhì)PI186208中鑒定出對生理小種PP.9表現(xiàn)抗性的顯性單基因[15]。Rpp10是從哥倫比亞種質(zhì)Andaqui中分離到的兼抗EA.1和EA.3的完全顯性基因;Rpp11是從墨西哥玉米種質(zhì)Zapalote Chico中分離到的不完全顯性基因,試驗雜交沒有證明Rpp1、Rpp10和Rpp11基因之間存在連鎖關(guān)系[13]。Futrell等在南非種質(zhì)B1138T中發(fā)現(xiàn)一個對PP.9表現(xiàn)專一抗性的抗病基因,但是尚未發(fā)現(xiàn)是否與Rpp9連鎖[47]。Chávez-Medina等研究發(fā)現(xiàn),種質(zhì)PI186215攜帶的抗病基因與Rpp9連鎖,種質(zhì)PI186209攜帶的抗病基因為隱性且為Rpp9的等位基因[48]。

目前,我國也鑒定到部分對南方銹病表現(xiàn)出抗性的抗病基因,但不是對具體生理小種的抗性,而是對混菌的抗性。Chen等將抗病自交系齊319攜帶的單顯性抗病基因RppQ定位在第10號染色體短臂上,與簡單重復(fù)序列(SSR)標記phi 041和擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)標記AF1之間的遺傳距離分別為2.45、3.34 cM[49]。Zhou等進一步將RppQ定位在特定序列擴增(SCAR)標記MA7和AFLP標記 M-CCG/E-AGA157之間,與2個標記的距離分別為0.46、1.71 cM[50]。劉章雄等利用P25和F349構(gòu)建的F2:3分離群體,將P25攜帶的抗南方銹病主效基因RppP25定位在第10號染色體,與標記phi059相距5.8 cM[51]。Zhao等將RppP25精細定位于bin10.01上物理距離約40 kb的標記P091和M271之間,并開發(fā)了2個共分離標記M214和M019[52]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn),抗病自交系W2D攜帶的抗性基因RppD與SSR標記umc1291和酶切擴增多態(tài)性序列(CAPS)標記CAPS858分別相距2.9、0.8 cM,與RppQ和RppP25這2個抗病基因緊密連鎖[53]。姚國旗等將玉米自交系CML470攜帶的抗南方銹病顯性基因RppC定位到第10號染色體短臂端部bin10.00-10.01上,與SSR標記umc1380和umc1291分別相距3.5、8.8 cM[54]。Wu等將抗南方銹病自交系SCML205中的顯性抗病基因RppS定位于第10號染色體短臂末端[55]。張小利利用抗病自交系冀庫12和感病自交系黃早四的F2 ∶3家系,將冀庫12攜帶的單顯性抗病基因Rpp12定位在10號染色體bin10.02上,與標記phi063相距4.2 cM[56]。江凱將抗南方銹病自交系遼2204攜帶的單顯性抗病基因RppL2204定位在第10號染色體短臂頂端,與標記umc1380的遺傳距離為9.6 cM[57]。王兵偉等將高抗南方銹病自交系S313攜帶的抗病基因定位在第10號染色體短臂約0.47 M范圍內(nèi),其中3個基因LOC103640657、LOC100191493、LOC103640673為高抗玉米南方銹病的抗性候選基因[58]。Wang等以京2416與抗銹京2416(京2416K)構(gòu)建F2群體,將顯性抗病基因RppM定位在第10號染色體短臂110 kb區(qū)間內(nèi)。其中,2個基因Zm00001d023265和Zm00001d023267功能預(yù)測編碼假定的CC-NBS-LRR(coiled-coiled,nucleotide-binding site,and leucine-rich repeat)蛋白,且在抗、感親本中存在序列及表達量的差異,為RppM的候選基因[59]。

在抗南方銹病的數(shù)量性狀位點定位方面,在玉米10條染色體上均定位到QTL。Brewbaker等在Hi27的近等基因系群體中將抗南方銹病QTL定位在第2、第3、第7號染色體上[60]。Holland等利用抗病自交系1416-1、1497-2 和感病雜交種B73Ht×Mo17Ht雜交衍生的F2 ∶3家系,將抗南方銹病QTL定位在第3、第4、第10號染色體上,位于第10號染色體短臂上的位點,bnl3.04可以解釋82%～83%的表型變異[61]。Jines等利用NC300和B104為親本構(gòu)建的重組自交系群體,將抗病QTL定位在第4、第8、第9、第10號染色體,位于第10號染色體短臂上的一個主效QTL解釋了83%的表型變異[62]。Wanlayaporn等利用甜玉米種質(zhì)hA9104和hA9035衍生的重組自交系群體在第1、第2、第5、第6、第9、第10號染色體上定位到15個抗南方銹病QTL,每個QTL可解釋6.1%～41.8%的表型變異[63]。Deng等利用CML486和Lx9801構(gòu)建的重組自交系群體在第4、第9、第10號染色體定位到3個QTL(qSCR4.08、qSCR9.04和qSCR10.06)[64]。陳文娟等利用W456(抗病)和黃早四(感病)的雜交F1和F2群體,在第3、第7、第8、第9、第10號染色體上共定位到6個抗南方銹病QTL,其中,位于第10號染色體短臂上的位點qSCR10效應(yīng)值最大,可以解釋24.19%的表型變異[65]。Deng等利用CIMBL83和Lx9801構(gòu)建的重組自交系群體,將抗南方銹病的主效QTL位點qSCR4.01精細定位于第4號染色體770 kb區(qū)間,可解釋48%～65%的表型變異[66]。Lu利用齊319和掖478構(gòu)建的重組自交系群體,在第3、第5、第6、第9、第10號染色體上定位到5個抗南方銹病QTL(qSCR3.04、qSCR5.07、qSCR6.01、qSCR9.03和qSCR10.01),每個QTL可解釋2.84%～24.15%的表型變異。其中,抗南方銹病主效QTLqSCR6.01,在標記Y6q77和Y6q79之間,物理距離為77.6～79.6 Mb,是首次在第6號染色體上鑒定的抗南方銹病主效QTL[67]。艾堂順等利用P178(抗病親本)和G41(感病親本)構(gòu)建的BC2F5群體,在玉米第2、第5、第6、第10號染色體上共鑒定出5個QTL,并將抗南方銹病主效QTLqSCR10.01定位于標記UMC1380和C(10)3595071之間,標記間的物理距離為 1.34 Mb[68]。Lv等利用CML496和Lx9801構(gòu)建的重組自交系群體,定位到3個抗南方銹病QTL,分別位于第3、第9、第10號染色體上,其中位于第10號染色體bin10.00/10.01的RppCML496可解釋43%～78%的表型變異[69]。Mu等以抗感自交系L119A和Lx9801構(gòu)建BC4F2群體,利用混合分組測序分析(BSA-seq)技術(shù)在第1、第6、第8、第10號染色體上檢測到8個QTL,其中主效QTL(QTL8)位于10號染色體上,且該區(qū)間有25個候選基因,其中2個基因(Zm00001d023265和Zm00001d023267)屬于CC-NBS-LRR類型的抗病基因。這2個基因與RppM的候選基因相同,QTL8與RppM是否為同一個基因,還需要進一步研究[70]。

全基因組關(guān)聯(lián)分析作為研究復(fù)雜數(shù)量性狀相關(guān)基因定位的有效工具,在挖掘抗玉米南方銹病基因研究方面也取得了進展[71]。Camacho等對164個熱帶玉米自交系在2個生長季節(jié)下進行南方銹病的抗性鑒定,結(jié)合通過測序進行基因分型(GBS)技術(shù)進行關(guān)聯(lián)分析,在第4、第5、第6、第7、第8、第9、第10號染色體上檢測到與南方銹病抗性相關(guān)聯(lián)的8個單核苷酸多態(tài)性(SNP)[72]。2015—2016年,Zhou等分別在三亞市、南通市對253個玉米自交系進行南方銹病抗性鑒定,利用The Maize SNP3K Beadchip中等位基因頻率大于5%的2 824個SNP標記進行關(guān)聯(lián)分析,在第4、第8、第10號染色體上檢測到與南方銹病抗性相關(guān)聯(lián)的7個SNP[37]。Sun等對689個溫帶玉米種質(zhì)在美國內(nèi)布拉斯加?xùn)|部地區(qū)進行南方銹病抗性鑒定,全基因組關(guān)聯(lián)分析研究在第2、第4、第6號染色體上確定了4個與南方銹病嚴重程度顯著變化相關(guān)的位點,并在相關(guān)位點篩選到與抗病相關(guān)的候選基因[73]。

綜上所述,目前發(fā)掘和定位的抗南方銹病主基因均位于玉米10號染色體的短臂上。南方銹病的數(shù)量抗病性一般是由一個主效QTL和多個微效QTL共同控制。部分抗病基因已經(jīng)篩選出緊密連鎖的分子標記及候選基因,為分子標記輔助選擇育種及基因克隆奠定了基礎(chǔ)。

5 玉米對南方銹病的抗性機制研究

玉米對南方銹病的抗性發(fā)生在細胞被侵染之后,玉米表皮結(jié)構(gòu)不決定抗性的強弱,抗病材料細胞內(nèi)菌體發(fā)育進程緩慢,菌體生長受到明顯抑制[74]。黃飛燕等對不同抗性玉米自交系人工接種多堆柄銹菌后,發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶與抗病相關(guān),可溶性糖與感病相關(guān)[75]。Wang等利用基因芯片技術(shù)對抗病品種魯單981早期響應(yīng)多堆柄銹菌接種進行分析,結(jié)果表明,植株中6個WRKY轉(zhuǎn)錄因子全部上調(diào)表達,誘導(dǎo)防御和活性氧代謝相關(guān)基因參與玉米對南方銹病的抗性反應(yīng)[76]。Wang等利用比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析,鑒定到1個編碼remorin 蛋白的抗南方銹病相關(guān)基因ZmREM1.3,轉(zhuǎn)基因結(jié)果表明,該基因正向調(diào)控玉米對南方銹病的抗性,可能通過水楊酸(SA)/茉莉酸(JA)信號途徑調(diào)控玉米對南方銹病的抗性[77]。Mu等利用 RNA-seq技術(shù),對抗感材料L119A和LX9801接種多堆柄銹菌后進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),S型木質(zhì)素在抗玉米南方銹病中可能起關(guān)鍵作用;高抗自交系L119A在接種后的差異表達基因中有大量WRKY及MYB等轉(zhuǎn)錄因子,而參與防御反應(yīng)和代謝過程的基因也被顯著富集。其中,苯丙烷和黃酮類代謝物的生物合成途徑富集最為明顯[70]。Sun等利用全轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)分析篩選到1個位于第6號染色體 8.6 Mb 的RNAse E/G-like protein (RNE)基因Zm00001d035185,其表達水平與南方銹病嚴重程度的變化顯著相關(guān),但是沒有進行進一步的研究來驗證此基因的功能[73]。

克隆抗性基因可以闡明玉米抗南方銹病的分子機制。Deng等采用圖位克隆方法,從抗病自交系CML496中分離到了1個編碼含有核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域和富含亮氨酸重復(fù)序列的蛋白類的抗玉米南方銹病基因RppC;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析和玉米原生質(zhì)體超敏反應(yīng)篩選體系等方法從多堆柄銹菌基因組中鑒定到RppC識別的效應(yīng)因子AvrRppC,并證明了兩者之間存在互作;并發(fā)現(xiàn)新的病原菌生理小種以AvrRppC氨基酸突變的方法來逃避RppC的識別。表明RppC/AvrRppC的互作方式符合經(jīng)典的“基因?qū)颉睂W(xué)說的互作模型[78]。Wang等從玉米祖先種大芻草中克隆了1個多重抗病性基因ZmMM1,該基因?qū)τ衩状蟀卟?、南方銹病和灰斑病均表現(xiàn)抗病,并鑒定到1個正向調(diào)控ZmMM1表達水平的序列qLMchr7C117。qLMchr7C117能夠響應(yīng)并影響病原相關(guān)分子模式觸發(fā)的免疫的信號;ZmMM1編碼1個含MYB-DNA結(jié)合域的轉(zhuǎn)錄抑制因子;ZmMM1蛋白通過抑制基因ZmMT3的轉(zhuǎn)錄水平,增強了玉米植株體內(nèi)活性氧的積累,正向調(diào)控玉米對多種病害的抗性[79]。

6 玉米對南方銹病的抗病育種

選育抗病品種是預(yù)防南方銹病危害最經(jīng)濟、有效的措施。利用抗性種質(zhì)對國內(nèi)廣泛使用的骨干自交系進行抗性改良是抗玉米南方銹病種質(zhì)資源創(chuàng)新的主要途徑之一,并以此進行強優(yōu)勢雜交組配得到高抗性品種[80]。杜青等研究認為,在南方銹病抗性育種中應(yīng)該采取輪回改良、鑒定與選擇同步的策略,在較大南方銹病選擇壓力下從早期世代中選擇抗病材料[45]。由于該病害間歇性發(fā)生,因此常規(guī)育種過程中,在缺乏病害選擇壓力的情況下,抗病基因難以表達,造成抗病基因的丟失,這也是目前育種工作者使用的玉米自交系大多數(shù)感染南方銹病的主要原因之一[44]。分子標記輔助選擇利用與抗病基因緊密連鎖的分子標記直接對后代材料進行基因型選擇,不受環(huán)境條件和病害發(fā)生的影響,可快速創(chuàng)制玉米抗南方銹病材料。張斌利用分子標記輔助選擇將抗體材料齊319中的高抗南方銹病基因RppQ導(dǎo)入廣泛使用但感南方銹病的鄭58、昌 7-2、9801等自交系中,通過回交育種,選育出了抗病性強的改良后代材料[81]。李少博等以齊319為供體材料,通過分子標記輔助選擇將抗病基因?qū)敫心戏戒P病自交系京24,結(jié)合回交轉(zhuǎn)育技術(shù),鑒定到部分表現(xiàn)抗性的BC1代植株[82]。譚華等采用來自國際玉米小麥改良中心(CIMMYT)的抗性材料對溫帶感病種質(zhì)進行改良,利用分子標記輔助選擇在BC2F2代群體中篩選到235株達到高抗及抗水平的植株[83]。Wang等在小麥中鑒定到1個被條銹菌效應(yīng)子操縱的感病基因TaPsIPK1,利用CRISPR-Cas9 編輯技術(shù)敲除TaPsIPK1基因獲得了對小麥條銹病表現(xiàn)廣譜抗性的編輯植株,且不影響其他主要的農(nóng)藝性狀[84]。這一研究成果為創(chuàng)制抗玉米南方銹病新種質(zhì)提供了新思路。

7 展望

目前,雖然在玉米南方銹病抗性資源篩選、抗病基因/QTL定位、抗病機制和抗性新品種培育方面取得了階段性進展,但仍不足以支撐玉米的安全生產(chǎn),南方銹病的研究工作還需進一步加強。一是加快病原菌的全基因組測序工作。病原菌多堆柄銹菌的全基因組測序工作尚未完成,分離和鑒定病原菌中的相關(guān)致病基因,從分子水平研究致病基因作用及調(diào)控機制工作仍為空白。病原菌的全基因組測序工作將為明確玉米南方銹病病菌致病機制、南方銹病的防治及抗性品種選育提供理論基礎(chǔ)。二是加強南方銹病抗性資源的收集、篩選和利用。對國內(nèi)種質(zhì)資源開展多年多點的南方銹病抗性鑒定,從中篩選具有穩(wěn)定抗性的種質(zhì)資源,同時積極引進熱帶、亞熱帶抗性資源對本土骨干自交系進行抗性改良。三是加強抗性基因的定位和分子標記的開發(fā)。挖掘種質(zhì)資源中的抗性基因,應(yīng)結(jié)合連鎖分析、關(guān)聯(lián)分析等方法對抗病基因進行精細定位、克隆,開發(fā)診斷型分子標記,采用分子標記輔助選擇將抗性基因/QTL從農(nóng)藝性狀較差的抗源中導(dǎo)入農(nóng)藝性狀優(yōu)良的骨干系中,獲得農(nóng)藝性狀優(yōu)良且抗病性強的材料進一步用于育種。四是加強玉米對南方銹病抗性機制研究。運用高通量測序技術(shù),結(jié)合分子生物學(xué)、生物信息學(xué)等分析方法,利用基因編輯、基因沉默等方法分析寄主與病原菌互作機制,了解南方銹病抗性機制,為抗性資源的有效利用奠定基礎(chǔ)。