小麥葉枯病研究進(jìn)展

梁爽，李興鋒

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東 泰安 271018）

小麥?zhǔn)鞘澜缟现匾募Z食作物，產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的20%以上。隨著全球氣候變暖，生物脅迫和非生物脅迫頻發(fā)，小麥產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重影響。免耕將植物殘茬留在土壤表面，使病菌得以越冬，從而增加了第二年病菌的有效接種量，導(dǎo)致葉枯病發(fā)生嚴(yán)重［1］。此外，小麥集約化生產(chǎn)，包括單作和易感品種的種植，都會導(dǎo)致葉枯病在世界各地的流行比例擴(kuò)大［2］。

植株感病后，葉片產(chǎn)生病斑，葉耳畸形，莖稈萎縮死亡，葉片同化能力下降。因此葉枯病會嚴(yán)重降低葉片的光合作用效率和籽粒的灌漿，造成小麥結(jié)實率下降、麥?？瞻T、種皮變褐，從而導(dǎo)致產(chǎn)量損失及品質(zhì)惡化［2，3］。使用殺菌劑防治葉枯病費(fèi)用高且有農(nóng)藥殘留，最生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效的方式就是提高寄主抗性水平［3，4］。因此本文對葉枯病的類型及抗病基因進(jìn)行綜述，以期為提高小麥對葉枯病的持久抗性提供理論依據(jù)。

1 小麥葉枯病類型及特點

小麥葉枯病有多種，其中殼針孢葉枯?。⊿eptoria triticiblotch，STB）、穎枯?。⊿eptoria nodorumblotch，SNB）、褐斑?。╰an spot）和蠕孢葉枯?。╯pot blotch）［2］是世界上4種主要小麥葉枯病。

1.1 殼針孢葉枯病

STB是由Zymoseptoria tritici引起的一種真菌性病害［2］，在北美、東非、南美洲，特別是亞洲中部和西北地區(qū)最為嚴(yán)重。病害發(fā)生最佳溫度為22℃，最適濕度需≥85%［5］，長時間涼爽和潮濕的地區(qū)更適宜該病害的發(fā)展。對于易感品種來說，不適的外界環(huán)境只能延緩病害的發(fā)生，并不能減輕感病程度［6］。

植株最初感染部位為下部葉片，葉脈間形成橢圓形淡綠色至黃色病斑。隨著病害的發(fā)展，斑點相互連接成棕色大病斑，病變中心有稻草色輕微壞死，常伴有許多可見的黑棕色球狀或凝膠狀的分生孢子器。如果環(huán)境條件持續(xù)適宜，病害可發(fā)展到上部葉和穗狀花序，嚴(yán)重時導(dǎo)致葉和麥穗干枯。

1.2 褐斑病

褐斑病由Pyrenophora tritici－repentis（Ptr）引起，在北美（加拿大、美國、墨西哥）、南美（巴西、阿根廷、烏拉圭）、加勒比海、南亞和澳大利亞盛行。生長季節(jié)頻繁降雨不僅利于小麥的生長，同樣利于病害的發(fā)展。

感染后的小麥葉片產(chǎn)生小的橢圓形或菱形斑點，隨著感染加重，病斑擴(kuò)大變成褐色。病斑邊緣呈淡黃色，斑點中心呈黑褐色，類似于“眼斑”。受到感染的籽粒在種皮上會產(chǎn)生“紅色污點”，但籽粒不會皺縮。

1.3 穎枯病

SNB是一種由Parastagonospora nodorum引起的種傳病害，全球小麥種植區(qū)均有發(fā)生。氣候溫暖（22～27℃）和潮濕地區(qū)更為流行，如美國東南部、加拿大、歐洲中部和西部地區(qū)、巴西南部和澳大利亞［7，8］。

典型性狀為穎殼和葉片產(chǎn)生病斑［2，7］。隨著病情的加重，植株下部葉產(chǎn)生的黃色病斑逐漸發(fā)展成紅棕色。發(fā)病后期病斑成透鏡狀，沒有明顯的黃色邊緣，中間呈灰褐色，內(nèi)部常伴有黑色小斑點［9］。開花期后，潮濕天氣會引起穎殼發(fā)病。麥穗上的病斑通常從頂端開始發(fā)生，嚴(yán)重時整個穗部的穎片變成深棕色或深紫色，這一發(fā)病時期稱為“穎枯病”。穎枯病感染嚴(yán)重時會導(dǎo)致籽粒干癟。

SNB涉及一種寄主選擇性毒素（HST），P.nodorum能通過產(chǎn)生毒素引發(fā)病征，增加病害的嚴(yán)重性。植株內(nèi)部存在的敏感基因與毒素相互作用，導(dǎo)致田間敏感性增加［2，10］。

1.4 蠕孢葉枯病

蠕孢葉枯病是由Bipolaris sorokiniana侵染引起的真菌性病害，全世界小麥主產(chǎn)區(qū)均有發(fā)生，南美、南亞等國家發(fā)生較重。中國西南、東北、黃淮南片和長江流域都有不同程度的發(fā)病。

通常在小麥抽穗期，病原菌開始侵染葉片，形成較小的壞死斑，之后病斑逐漸擴(kuò)大成片狀枯死，甚至沿葉脈連成大片壞死直至葉片完全枯死。一般情況下，該病從下部葉片逐漸往上部葉片發(fā)展。在濕度較大和陰雨條件下，壞死病斑上逐漸生長出霉菌孢子堆，同時伴隨多種真菌的寄生，如鏈格孢（Alternaria tritcina）等。B.sorokiniana還會導(dǎo)致根腐病的發(fā)生，引起分蘗節(jié)、根系和基部葉片的感染；對穗部的侵染會引起種子黑胚。

4種葉枯病的病害循環(huán)特點相似。病原菌以子囊孢子的形式寄生在小麥秸稈、受感染的種子或越冬植物上；分生孢子可在當(dāng)季發(fā)生的病斑中產(chǎn)生。在小麥生長季，病原菌的分生孢子或子囊孢子通過風(fēng)雨傳播，然后直接由氣孔或傷口侵入植株，從而引起發(fā)病（圖1）［8］。釋放出的孢子通常需要經(jīng)過12～18 h才會感染。如果環(huán)境長時間保持濕潤，病斑會產(chǎn)生大量的分生孢子，孢子被吹到其他植株上形成新的感染。

圖1 葉枯病病害循環(huán)示意圖

2 小麥葉枯病抗性基因研究現(xiàn)狀

目前，在小麥中已經(jīng)鑒定到多個對褐斑?。═sr）、殼針孢葉枯病（Stb）、穎枯?。⊿nn）和蠕孢葉枯病（Sb）抗性的基因和數(shù)量性狀位點（QTL）。

2.1 殼針孢葉枯病

STB的抗性基因被稱為Stb。迄今為止，已成功在除5D染色體外的其余染色體上鑒定出22個抗 性 基 因（Stb1～Stb19、StbSm3、StbWW、TmStb1）和89個QTL位點或meta－QTL的基因組區(qū)域［11，12］。

抗性基因具有基因特異性，其與病原菌的相互作用模式符合基因?qū)虻年P(guān)系。目前已發(fā)現(xiàn)并繪制了22個抗性基因圖譜（表1）。

表1 小麥中抗殼針孢葉枯病的主要基因

數(shù)量抗性由許多微效基因控制，對所有Z.tritici分離株具有廣譜抗性。一些QTL被定位在抗性基因附近，特別是Stb6附近。在鑒定的89個區(qū)域中，QTL有62個，meta－QTL有27個；苗期表現(xiàn)抗性的有27個，成株期有48個，兩時期都表現(xiàn)抗性的有14個［11］。

2.2 褐斑病

死體營養(yǎng)型病原菌Ptr產(chǎn)生的壞死效應(yīng)物（NE），也稱為HST，可破壞小麥免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致小麥壞死或黃化［30］。在Ptr－小麥的致病系統(tǒng)中，已經(jīng)鑒定了3個NEs與寄主敏感基因相互作用，包括Ptr ToxA、Ptr ToxB和Ptr ToxC。Ptr ToxA與Ptr ToxB都是蛋白，但Ptr ToxA會引起壞死，Ptr ToxC與Ptr ToxB相同，只會導(dǎo)致小麥褪綠，不會引起壞死［31］。

NEs與相應(yīng)的寄主敏感基因以反向的“基因?qū)颉钡南嗷プ饔梅绞綄?dǎo)致褐斑病的發(fā)生［32］。寄主敏感基因Tsn1、Tsc2和Tsc1分別被定位到小麥染色體臂5BL、2BS和1AS上，其中Tsn1對Ptr ToxA敏感，Tsc2對Ptr ToxB敏感，Tsc1對Ptr ToxC敏感［19，32－34］。Tsn1已被成功克隆，其在結(jié)構(gòu)上與抗病基因相似，這表明Ptr能夠阻斷小麥對病害的防御途徑。

目前，已定位到4個主要褐斑病抗性基因（Tsr）位點，包括小麥3BL上的Tsr2、3DL上的Tsr3、3AL上 的Tsr4和3BL上 的Tsr5和Tsr7［35－39］。Tsr2～Tsr5都是隱性抗性基因，由此推測Tsr2～Tsr5可能是與未知的NEs相互作用的敏感基因［30］。Tsr7是一個對Ptr小種具有非特異性抗性的顯性單基因［39］，該基因的克隆和利用對抗褐斑病育種具有非常重要的意義。

抗性基因和QTL抗性位點相結(jié)合，可以提高小麥對褐斑病的抗性。已鑒定到100多個與褐斑病抗性相關(guān)的QTL位點，其中129個被成功定位到連鎖圖譜上。在這129個QTL中，有23個為單個QTL，其余106個QTL聚類為20個meta－QTL［31］。

2.3 穎枯病

小麥中已鑒定并命名的Snn基因有9個，分別在小麥染色體臂1AS、1BS、2DS、2DL、4BL、5BS、5DS、5BL和6AL上。

Snn基因與SNB病原菌的NEs以反向的“基因?qū)颉钡南嗷プ饔梅绞郊又亓诵←湆NB的感病程度［40］。目前已鑒定了8個P.nodorum病原菌的有毒基因（ToxA、Tox1～Tox7）和9個寄主敏感基因（Tsn1、Snn1、Snn2、Snn3－B1、Snn3－D1、Snn4～Snn7）［8］。其中褐斑病的敏感基因Tsn1與ToxA相互作用，P.nodorum敏感基因Snn1與Tox1、Snn2與Tox2、Snn3與Tox3、Snn4與Tox4、Snn5與Tox5、Snn6與Tox6、Snn7與Tox7相互作用［41］。Snn基因和NEs的相互作用可能是遞增的，如果病原效應(yīng)器能匹配到兩個敏感基因，會導(dǎo)致植株更大程度感病［40］。

近幾年，小麥幼苗期及成株期抗性QTL位點被廣泛研究和挖掘。幼苗期QTL抗性位點在除1D和3D外的其余19條染色體上都有發(fā)現(xiàn)，其中部分位點與成株期抗性也有關(guān)系［8，42］。成株期QTL位點分布在16條染色體（1A、1B、2A、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A、6B、7A、7B和7D）上［8］。在1B、2A、2D和5B染色體上檢測到旗葉抗性QTL位點，如Qns108.daw－1B、QHD08.daw－5B等；在2D和4B染色體上鑒定出穎殼抗性位點，如QSng03.purL－2D、QSng04.daw－4B［43］。

2.4 蠕孢葉枯病

目前已成功在除3D、4A、5D、6B染色體外的其余染色體上發(fā)現(xiàn)抗蠕孢葉枯病的基因和QTL位點。迄今為止小麥中主要符合孟德爾遺傳定律的抗性基因分別定位在7DS（Sb1）、5BL（Sb2）、3BS（Sb3）和4BL（Sb4）上［44－47］。Sb1是一因多效基因，其與Lr34相關(guān)，除了抗銹病和白粉病及引起葉尖壞死的同時，還具有對蠕孢葉枯病的抗性，對小麥的抗性育種具有非常重要的意義［47］。Sb2被定位在5BL上的Xgwm639～Xgwm1043之間［45］。利用混合分組分析（BSA）和簡單重復(fù)序列（SSR）技術(shù)將Sb3定位在3BS的Xbarc133～Xbarc147之間。2020年，通過BSR－sec技術(shù)開發(fā)與其緊密連鎖的分子標(biāo)記，將Sb4定位在標(biāo)記B6811和B6901之間的4BL上7.14 cM的遺傳區(qū)間［44］。

與蠕孢葉枯病抗性相關(guān)的QTL位點也有報道。Kumar在“Ning 8201”דSonalika”的雜交群體定位到4個QTL位點，分別位于2AS、2BS、5BL和7DS染色體上［48］。QSb.cim－1B、QSb.cim－3B和QSb.cim－5A三個QTL位點來源于合成面包小麥SYN1［49］。

研究發(fā)現(xiàn)，在小麥－B.sorokiniana的致病系統(tǒng)中，ToxA是唯一已知的與寄主敏感基因Tsn1相互作用的有毒基因，其編碼HST的產(chǎn)生［50］。Tsn1的存在有助于含有ToxA的病原菌對寄主產(chǎn)生致病效應(yīng)。所以選擇缺失Tsn1的小麥同樣有利于提高小麥植株對蠕孢葉枯病的抗性［50］。

3 展望

殼針孢葉枯病、穎枯病、褐斑病和蠕孢葉枯病是4種主要由真菌引起的小麥葉枯病，多發(fā)生在氣候潮濕溫暖的小麥產(chǎn)區(qū)，危害嚴(yán)重時可造成50%的產(chǎn)量損失［2］。與白粉病和葉銹病相比，小麥葉枯病的研究還處于初級階段。迄今為止小麥中已發(fā)掘出多個葉枯病抗性基因及QTL位點。Stb6是第一個被克隆的抗葉枯病基因，該基因編碼一個保守的胞壁關(guān)聯(lián)類受體激酶蛋白，該蛋白能識別與其相匹配的質(zhì)外體效應(yīng)物，在未產(chǎn)生超敏反應(yīng)的情況下提供植株抗病能力［51］。Stb16q是繼Stb6之后克隆的第二個Stb基因，其對所有已報道的Z.tritici分離株具有廣譜抗性。該基因編碼一種質(zhì)膜富含半胱氨酸的類受體激酶（RLK），該激酶在感染初期能減緩病原體的滲透和細(xì)胞間生長［52］。兩個基因編碼的類受體激酶屬于兩個不同的亞族，說明二者參與STB抗性的分子機(jī)制不同［52］。

雖然已經(jīng)鑒定出一些抗性QTL位點和基因，但真正被應(yīng)用到育種上的基因相對較少。究其原因，小麥與病原菌之間的復(fù)雜關(guān)系導(dǎo)致部分抗性基因無法發(fā)揮作用。帶有Stb7抗性基因的小麥品種可以特異性識別無毒基因效應(yīng)因子Avr3D1，從而引發(fā)強(qiáng)烈的防御反應(yīng)，但不會阻止病原體的感染和繁殖［53］。因此，研究病原真菌和宿主之間的作用關(guān)系是目前小麥抗病育種的重要出發(fā)點。寄主抗?。≧）基因與病原菌內(nèi)部的無毒基因存在“基因?qū)颉钡年P(guān)系，當(dāng)R基因編碼的蛋白產(chǎn)物特異識別無毒基因的效應(yīng)因子（Avr）時，植物可產(chǎn)生一系列極端的抗性反應(yīng)，如超敏反應(yīng)等。

通常寄主敏感基因的缺失會提高小麥對葉枯病的抗性［50］。真菌病原體B.sorokiniana、Ptr和P.nodorum的基因組中都攜帶有毒基因ToxA，其控制HST的產(chǎn)生［54］。病原菌內(nèi)的有毒基因可與寄主內(nèi)部存在的敏感基因以“基因?qū)颉钡姆聪蚍绞较嗷プ饔茫渲胁≡亩拘酝ǔＨQ于寄主敏感基因的存在。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用含有ToxA的B.sorokiniana菌株分別接種含有ToxA和不含有ToxA敏感基因的小麥品種時發(fā)現(xiàn)，含有ToxA的幼苗產(chǎn)生了壞死病斑［50］。ToxA能產(chǎn)生壞死效應(yīng)物，一旦寄主中有敏感基因的存在，即使有R基因也會促進(jìn)感染。植物內(nèi)部的R基因通常具有核苷酸結(jié)合位點（NBS）和富亮氨酸重復(fù)序列（LRR）或絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶（S／TPK）結(jié)構(gòu)域；而寄主敏感基因Tsn1在結(jié)構(gòu)上與抗病基因類似，具有S／TPK和NBS－LRR結(jié)構(gòu)域［55］，這表明死體營養(yǎng)型真菌產(chǎn)生的壞死效應(yīng)物可破壞植物對其他病原菌的抗性［56］。因此，對寄主－病原菌致病機(jī)理進(jìn)行研究同樣也是抗病育種工作的關(guān)鍵。

因此，鑒定現(xiàn)有的抗病資源、探究葉枯病抗病機(jī)制、挖掘新的抗病基因、開發(fā)新的抗病研究方向，從而提高小麥對葉枯病的持久抗性，才能真正有效控制葉枯病的發(fā)生，減少由于該病害造成的經(jīng)濟(jì)損失。