我國玉米南方銹病的抗病育種進(jìn)展和防治策略

任雅琨 韓 托 朱勝男 計(jì)懷春 王啟磊

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部玉米小麥等作物優(yōu)質(zhì)抗逆精準(zhǔn)育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；2 河南金苑種業(yè)股份有限公司，鄭州 450001）

玉米南方銹病是由多堆柄銹菌引起的一種氣流性傳播病害，主要危害玉米葉片、葉鞘。最初廣泛發(fā)生在非洲、東南亞、美洲南部等熱帶和亞熱帶地區(qū)，隨著全球熱帶氣旋的活動(dòng)，該病害在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大，已在我國22 個(gè)省份發(fā)生，對(duì)黃淮海夏玉米區(qū)和南方玉米區(qū)的危害尤為嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致減產(chǎn)50%以上。2015 年南方銹病在全國致病區(qū)域達(dá)到一個(gè)高峰，發(fā)病面積達(dá)523.9 萬hm2，實(shí)際損失約75.6 萬t[1]。2021 年玉米南方銹病在黃淮海區(qū)域再次大爆發(fā)，山東省發(fā)生面積達(dá)歷史之最，發(fā)病面積占山東省玉米總種植面積的43.2%，平均病株率46%[2]。近年來受西太平洋熱帶氣旋頻繁發(fā)生的影響，南方銹病在我國的發(fā)病面積和嚴(yán)重程度不斷擴(kuò)大，對(duì)我國玉米主產(chǎn)區(qū)的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅?？共∮N是防治南方銹病最經(jīng)濟(jì)有效的方法。了解我國玉米品種的抗性水平、鑒定抗病種質(zhì)、挖掘和利用抗病基因仍是抗病育種的重要工作，并在此基礎(chǔ)上探討了南方銹病的防治策略。

1 我國玉米品種對(duì)南方銹病的抗性評(píng)價(jià)

了解我國當(dāng)前玉米品種對(duì)南方銹病的抗性水平，是品種改良和抗病育種的基礎(chǔ)。近年來多位學(xué)者對(duì)我國參試、已審和主推玉米品種進(jìn)行南方銹病抗病性鑒定。劉駿等[3]從黃淮海區(qū)域47 個(gè)主推品種中鑒定出2 份高抗南方銹病品種，14 份抗性品種，先玉335、鄭單958、浚單20 均為高感品種。王群[4]在2017-2018 年從山東省400 份玉米品種中鑒定出63 份南方銹病抗性品種，其中高抗和抗性品種分別有3 份和24 份。劉炎琨[5]在2019-2020 年對(duì)358份河南省引種和區(qū)域試驗(yàn)品種進(jìn)行抗性鑒定，高抗、抗和中抗南方銹病的品種分別有66 份、80 份和111 份。黃莉群等[6]在2020 年對(duì)國內(nèi)85 個(gè)主栽玉米品種進(jìn)行田間抗性評(píng)價(jià)，高抗品種僅有9 份，占比10.59%，中抗品種19 份，占比22.35%。郭寧等[7]在2018-2020 年黃淮海夏玉米區(qū)國審的437 個(gè)品種中未鑒定出高抗品種，抗和中抗品種占比4.45%和4.92%。在47 個(gè)主栽品種中，抗性品種和中抗品種占比12.22%和27.66%?？傮w而言，我國玉米品種對(duì)玉米南方銹病的抗性較差，高抗品種少，可能是由于我國玉米育種使用的抗性種質(zhì)資源狹窄，過度使用78599 系列，造成本土種質(zhì)和品種趨同化嚴(yán)重且抗性較差[8]。然而，近年來抗病品種比例呈逐年上升趨勢，說明科研院所和育種單位對(duì)抗銹病品種的選育工作的重視程度增加。因此，拓寬種質(zhì)資源、創(chuàng)新育種模式以及選用不同的抗病種質(zhì)仍是未來抗病育種的重要方向。

2 我國玉米抗南方銹病種質(zhì)的鑒定和利用

2.1我國南方銹病抗性種質(zhì)的鑒定培育抗病品種的關(guān)鍵是選育抗病自交系，鑒定和利用多種抗病種質(zhì)是選育抗病自交系的基礎(chǔ)。較多學(xué)者不斷地搜集和鑒定南方銹病抗性種質(zhì)。黃飛燕[9]對(duì)1136 份玉米種質(zhì)資源進(jìn)行南方銹病抗性鑒定，高抗、抗、中抗種質(zhì)所占比例分別為2.46%、7.13%和29.93%，國外地方品種的抗性比例高于國內(nèi)地方品種的抗性比例。江凱等[10]從1589 份玉米種質(zhì)資源中鑒定出137 份抗南方銹病材料；高抗材料僅26 份，其中16份來自于國外材料（美國材料選系5 份、CIMMYT材料7 份、非洲津巴布韋材料4 份），國內(nèi)材料只有10 份。姚國旗等[8]鑒定了34 份熱帶亞熱帶自交系，發(fā)現(xiàn)僅自交系CML144、CML247、CML451 和CML470 高抗南方銹病。陳文娟等[11]在廣西和北京對(duì)903 份種質(zhì)資源做了南方銹病抗性鑒定，高抗材料占比0.9%，抗性材料占比2.3%，中抗材料占比11.1%，高抗和抗性材料主要源自內(nèi)蒙古和山西。此外作者用56 份抗性材料進(jìn)行了聚類分析，可將抗性材料分為兩大類群，第一大群又被劃分成5 個(gè)亞群，包含PB 亞群、唐四平頭亞群、旅大紅骨亞群、BSSS亞群和Lan 亞群；第二大群為PA 群，與其他亞群材料的遺傳相似度較低，表明抗病材料有較高的遺傳多樣性。以上研究結(jié)果顯示我國國內(nèi)高抗南方銹病的種質(zhì)資源較少，且多數(shù)高抗南方銹病的資源來自國外熱帶種質(zhì)資源。

2.2南方銹病抗性種質(zhì)資源的利用熱帶種質(zhì)資源在我國玉米育種中多數(shù)無法直接利用，需要與本土優(yōu)異種質(zhì)多次回交，將熱帶抗病種質(zhì)中的抗銹病基因?qū)氲奖就羶?yōu)異材料中，才能實(shí)現(xiàn)本土自交系南方銹病抗性基因的多元化。任轉(zhuǎn)灘[12]將熱帶種質(zhì)CML311 與掖478 雜交，經(jīng)多代混粉后自交選擇，選出了既具有掖478 的優(yōu)異性狀又兼?zhèn)淠戏戒P病抗性的新材料；用同樣的方法將CML246 與CA971雜交后再與Mo17 雜交，經(jīng)多代自交選擇，最終篩選出了高抗南方銹病的適應(yīng)性種質(zhì)；除此之外，B73、K12、黃早四、黃金96B 等常用自交系也通過此方法提高了抗銹病能力。張志方等[13]以高抗南方銹病的M119 為基礎(chǔ)材料，經(jīng)多代自交和姊妹交，經(jīng)河南、貴州、海南三生態(tài)區(qū)的混合抗性選擇和配合力測定，選出了塘四平頭類型的抗病優(yōu)異自交系浚M9；之后用浚M9 對(duì)本地種質(zhì)進(jìn)行改良，形成高抗莖腐病和南方銹病的優(yōu)異種質(zhì)浚96、浚M97、浚M98。同時(shí)用浚M9 與國外優(yōu)異種質(zhì)和國內(nèi)骨干自交系進(jìn)行選系，構(gòu)建了1 個(gè)廣適多抗父本群。新的抗病自交系的育成也證明了利用熱帶抗病資源培育本土化抗病自交系的可行性。進(jìn)一步利用CIMMYT、Suwan 和非洲等熱帶地區(qū)的抗南方銹病種質(zhì)資源，仍是抗病自交系選育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些資源能夠?yàn)槲覈共∮N提供非常優(yōu)秀的抗性基礎(chǔ)材料。

3 玉米南方銹病抗病基因的挖掘及應(yīng)用

3.1玉米南方銹病抗病基因的定位和克隆基于南方銹病的發(fā)病范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)玉米產(chǎn)量造成的損失程度不斷增加，國內(nèi)外科研人員對(duì)玉米南方銹病基因的挖掘開展了較多研究。Storey 等[14-15]從抗南方銹病材料AFRO.29 和AFRO.24 中分別發(fā)現(xiàn)了完全顯性抗病基因Rpp1和不完全顯性抗病基因Rpp2，Rpp1?？剐》NEA1，Rpp2對(duì)小種EA1和EA2 具有部分抗性；Rpp1與Rpp2連鎖，遺傳距 離 約 有12.23cM。Ullstrup[16]從PI 186208 中 定位到一個(gè)專抗小種PP.9 的單顯性抗病基因Rpp9；Storey 等[17]又發(fā)現(xiàn)了對(duì)EA1 和EA3 有抗性的顯性基因Rpp10和對(duì)EA1 和EA3 有不完全抗性的抗病 基 因Rpp11，且Rpp1、Rpp10和Rpp11均 不 連鎖。我國研究顯示多數(shù)南方銹病抗病位點(diǎn)定位在10 號(hào)染色體短臂上，且為單顯性主效基因。不同抗性材料中定位的抗性基因及連鎖的分子標(biāo)記見表1[18-28]。Zhou 等[18]將齊319 的抗病基因RppQ定位于分子標(biāo)記MA7、M-CCG/EAGA157 之間。Liu等[19]將抗性基因RppP25定位在10 號(hào)染色體上，與phi059 的遺傳距離為5.8cM；Zhao 等[20]進(jìn)一步將RppP25定位在分子標(biāo)記P091 和M271 之間，GRMZM2G060884可能為候選基因。Zhang 等[21]從W2D 和W222 構(gòu)建的分離群體中定位主效單顯性抗病基因RppD，與分子標(biāo)記umc1291 和CAPS858的遺傳距離分別為2.9cM 和0.8cM。RppD與RppQ和RppP25不等位。Wu 等[22]用熱帶材料SCML205與京24 構(gòu)建F2分離群體，將抗病基因RppS定位在10 號(hào)染色體短臂遠(yuǎn)端，與IDP4283 和G047 的遺傳距離為8.4cM。RppS與RppQ、RppD和RppP25均不等位。姚國旗等[23]發(fā)現(xiàn)CML470 的抗性主要由顯性單基因RppC控制，該基因定位在分子標(biāo)記umc1380 與umc1291 之間，與2 個(gè)分子標(biāo)記的遺傳距離分別為3.5cM 和8.8cM。王兵偉等[24]用S313×PHW52 的F2分離群體將抗病基因RppS313定位在SNP 分子標(biāo)記A005915 與 A009920 之間，區(qū)間內(nèi)有3 個(gè)候選基因。艾堂順等[25]從P178 和G41 構(gòu)建的BC2F5群體中發(fā)現(xiàn)主效抗南方銹病位點(diǎn)qSCR10.01，可解釋45.31%的表型變異，該QTL 被定位在分子標(biāo)記umc1380 和C（10）3595071 之間，物理距離1.34Mb。王文潔等[29]將高抗南方銹病材料K381 的抗病位點(diǎn)定位在分子標(biāo)記umc2018 與phi059 之間，與phi059 緊密連鎖。

表1 不同抗性材料中抗性基因及連鎖的分子標(biāo)記

除主效基因的定位，科研人員在玉米的1、2、3、4、5、6、8、9 號(hào)染色體上也發(fā)現(xiàn)了南方銹病的抗病位點(diǎn)[25，30-32]。其中Lu 等[30]用齊319 和掖478 構(gòu)建重組自交系，在第6 號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)的qSCR6.01位點(diǎn)抗病效應(yīng)最大，可解釋表型總變異的24.15%。

南方銹病抗性位點(diǎn)報(bào)道較多，但目前只有3個(gè) 抗 病 基 因 被 克 隆。Lv 等[26]和Deng 等[27]以CML496 和Lx9801 構(gòu)建的重組自交系為材料，采用圖位克隆和轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證的方法，從CML496 的10 號(hào)染色體上克隆到一個(gè)NLR 類的抗玉米南方銹病的新基因RppC。利用轉(zhuǎn)錄組分析和玉米原生質(zhì)體超敏反應(yīng)篩選體系等多種研究方法，在南方銹病病原菌中鑒定到被RppC識(shí)別的效應(yīng)蛋白AvrRppC，并發(fā)現(xiàn)新的病原菌小種通過AvrRppC氨基酸突變的方式來逃避RppC的識(shí)別。Chen 等[28]用K22 和丹340 構(gòu)建的F6：7分離群體和重組自交系，在10 號(hào)染色體上定位到一個(gè)主效的單顯性基因RppK，轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證確定K22 基因組中的R3為抗病基因，編碼典型的NLR 蛋白，能夠與AvrRppK互作激活植物體內(nèi)的ETI 反應(yīng)，從而提高植物抗病性，在抗病育種上應(yīng)用潛力巨大。Wang 等[33-34]通過對(duì)京2416K 和京2416 構(gòu)建的F2群體進(jìn)行定位、測序分析和轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證，在10 號(hào)染色體短臂上定位并克隆到南方銹病抗性基因RppM，并且基于RppM兩個(gè)保守位點(diǎn)（AA576、AA817）開發(fā)了可以鑒定RppM的特異性KASP 分子標(biāo)記KM23 和KM19。

3.2南方銹病抗病功能基因在玉米品種改良上的應(yīng)用目前已克隆抗南方銹病基因RppC、RppK為基因與基因互作，進(jìn)而觸發(fā)植物體的ETI 和PTI防御反應(yīng)，提高植物的抗病性，在育種中有較高的應(yīng)用價(jià)值[27-28]。RppC在商業(yè)品種中應(yīng)用較廣，裕豐303、中科玉505、農(nóng)大108、漢單777、登海3622、蠡玉16、蠡玉88、農(nóng)大108、豫單9953 等多個(gè)主栽抗銹病品種均含有RppC基因，具有較好玉米南方銹病抗性[33]；12 個(gè)浚單玉米自交系含有RppC抗病基因[35]；在審定品種中遼單707、康農(nóng)玉598、康農(nóng)2 號(hào)、高玉14022 對(duì)玉米南方銹病有較好抗性，經(jīng)檢測均含有抗病基因RppK[28]，含有RppM的京2416K自交系已成為我國高抗玉米南方銹病的核心種質(zhì)，為我國玉米南方銹病品種的改良提供了基礎(chǔ)材料，先后組配出京農(nóng)科767、京科682、現(xiàn)代965 等玉米品種，對(duì)南方銹病具有較好抗性。

4 玉米南方銹病的防治策略

4.1挖掘抗病基因進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新和抗病育種利用抗病基因進(jìn)行抗病種質(zhì)資源創(chuàng)新和品種選育是控制玉米南方銹病最經(jīng)濟(jì)有效的方法。RppQ、RppP25、RppD、RppC、RppK和RppM等優(yōu)良抗病基因的定位和克隆以及與抗病基因連鎖的分子標(biāo)記的開發(fā)，促進(jìn)了傳統(tǒng)育種與現(xiàn)代育種技術(shù)相結(jié)合，為抗病種質(zhì)資源創(chuàng)新和品種選育、改良提供了更精準(zhǔn)有效的方法。還應(yīng)加大對(duì)含有未知抗病基因的高抗南方銹病的基因挖掘工作，加強(qiáng)高抗南方銹病的熱帶材料在本土優(yōu)異自交系的改良和品種選育方面的應(yīng)用。另外分子標(biāo)記輔助育種、單倍體育種、全基因組選擇和基因編輯等現(xiàn)代育種技術(shù)為南方銹病抗病育種提供了一種更精確快速的途徑。常規(guī)育種和現(xiàn)代分子技術(shù)相結(jié)合，可加快抗病育種進(jìn)程。

4.2加強(qiáng)抗病種質(zhì)的利用南方銹病的高抗種質(zhì)在國內(nèi)較少，已鑒定的抗病種質(zhì)多為熱帶或亞熱帶材料。對(duì)已鑒定的國內(nèi)高抗南方銹病的種質(zhì)可以直接利用或者進(jìn)行骨干材料的改良。CIMMTY、Suwan、非洲津巴布韋等高抗南方銹病的材料不能直接利用，需多代輪回選擇改良自交系。在改良過程中，可使用分子標(biāo)記輔助選擇進(jìn)行背景篩選，利用與南方銹病抗病基因連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行前景篩選，結(jié)合單倍體等現(xiàn)代育種技術(shù)可以加快品種改良進(jìn)程，但材料改良還要以接種抗病鑒定結(jié)果和配合力測定為主；改良的育種材料要在黃淮海、海南、廣西等多個(gè)生態(tài)區(qū)進(jìn)行田間抗性鑒定，更有利于選出廣譜抗性的優(yōu)質(zhì)自交系。

4.3加強(qiáng)病源菌的監(jiān)測和預(yù)警我國南方銹病的發(fā)生和熱帶氣旋活動(dòng)路徑有關(guān)，在銹病發(fā)生前期結(jié)合氣象變化，監(jiān)測病源菌的動(dòng)態(tài)變化，為病情發(fā)生做出預(yù)警。使用南方銹病特異性分子標(biāo)記和快速檢測體系監(jiān)測南方銹病在田間的侵染動(dòng)態(tài)[36]；發(fā)病嚴(yán)重區(qū)域和經(jīng)常發(fā)病區(qū)域可建立玉米南方銹病的病害預(yù)測模型，為病情預(yù)測提供指導(dǎo)[30]。加快開發(fā)和利用對(duì)南方銹病檢測準(zhǔn)確度高的田間無損化監(jiān)測工具[37]，建立玉米不同生態(tài)區(qū)的南方銹病病害預(yù)測模型，在病害發(fā)生前做出預(yù)警并及時(shí)采取干預(yù)措施，可有效抑制病源菌的侵染和擴(kuò)散，防止病害的大規(guī)模爆發(fā)。

4.4適期配合使用化學(xué)防控監(jiān)測玉米南方銹病的侵染動(dòng)態(tài)，在適宜的時(shí)期及時(shí)施用化學(xué)藥劑能顯著抑制南方銹病的發(fā)生和蔓延[38-40]。在南方銹病初發(fā)期，用250g/L 的吡唑醚菌酯乳油、125g/L 的氟環(huán)唑懸浮液、5%己唑醇、25%丙環(huán)唑和43%戊唑醇處理，可顯著抑制病害的蔓延，降低病害對(duì)植株和產(chǎn)量的危害程度[38，40]。大喇叭口期至抽雄期是南方銹病激發(fā)期；在大喇叭口期噴施戊唑醇懸浮劑430g/L、氟硅唑乳油400g/L、吡唑醚菌酯乳油250g/L、30%肟菌·戊唑醇懸浮劑、吡唑醚菌酯乳油250g/L 與戊唑醇懸浮劑混劑430g/L，可對(duì)南方銹病有較好的防治效果[39]。由于大喇叭口期玉米植株高大、田間郁閉，玉米病蟲害防治比較困難，建議有條件的可用植保無人機(jī)進(jìn)行飛防；進(jìn)行人工防治時(shí)，可以用高壓噴槍進(jìn)行粗防或進(jìn)行精細(xì)噴霧防治，控制病情，抑制病源菌的繁殖、擴(kuò)散和傳播。

4.5加強(qiáng)玉米主產(chǎn)區(qū)致病小種的鑒定工作前人研究初步確定了我國多堆柄銹菌的主要來源，遼寧、黃淮海區(qū)域和浙江、福建的南方銹病初始菌源主要來自我國臺(tái)灣地區(qū)；廣東、廣西和海南的初始菌源主要來自菲律賓；云南、貴州等西南地區(qū)初始菌源主要來自泰國、老撾、緬甸等國家，并在境內(nèi)形成病害的周年循環(huán)[41]。我國不同玉米生態(tài)區(qū)的氣候差異較大，不同區(qū)域的南方銹菌的病原小種復(fù)雜。海南菌群年度間遺傳差異較大，來源較多且不穩(wěn)定；山東多堆柄銹菌遺傳多樣性豐富，說明病原小種較多；廣西、廣東、浙江、福建、海南的初始菌源相近，但廣西河池的菌株致病性最強(qiáng)。致病小種的更迭或病菌變異會(huì)導(dǎo)致推廣的抗病品種喪失部分抗性，因此加強(qiáng)各區(qū)域的致病小種的鑒定有助于開展針對(duì)性的抗病育種。

隨著全球氣候變暖，暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性氣候頻發(fā)，南方銹病在我國玉米主產(chǎn)區(qū)的發(fā)病面積不斷擴(kuò)大，后期爆發(fā)速度快，尤其對(duì)黃淮海區(qū)域和南方沿海地區(qū)的玉米產(chǎn)量危害嚴(yán)重。抗病育種是病害防治最綠色、經(jīng)濟(jì)、有效的措施。但我國高抗南方銹病種質(zhì)資源較少，且抗病種質(zhì)存在一定的地域限制，因此加快抗病種質(zhì)的搜集，對(duì)已鑒定出的高抗種質(zhì)加以利用，建立起科研院所和育種企業(yè)自己的核心抗病自交系尤為重要。深度挖掘南方銹病抗病基因，利用已開發(fā)的分子標(biāo)記和前沿分子育種技術(shù)培育抗南方銹病品種。推廣部門重點(diǎn)推廣抗性品種，同時(shí)在抗病品種不多的情況下，動(dòng)態(tài)監(jiān)測病害的變化，及時(shí)有效地采取化學(xué)防控，多措并舉，以保證玉米主產(chǎn)區(qū)的安全生產(chǎn)。