水稻稻曲病研究進展

劉春萍，徐孜，龔洪波，金興國，魏靜，劉婧，張擁軍，邱東峰

（1.襄陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 襄陽 441200；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所/糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點實驗室，武漢 430064）

水稻稻曲病（Rice false smut）是由稻曲菌［Ustilaginoidea virens（Cooke）Tak.］引起的水稻孕穗期穗部的真菌性病害。自1878 年Cooke 首次在印度發(fā)現(xiàn)以來，現(xiàn)已廣泛分布于亞洲、歐洲、美洲、非洲等水稻主產(chǎn)區(qū)的40 多個國家，其中在中國、日本等亞洲國家發(fā)生較為嚴重［1］。近年來，隨著全球氣候的變暖和雜交水稻的示范推廣以及氮肥水平的不斷提高，稻曲病的發(fā)病率逐年上升，已由水稻次級病害上升為主要病害之一，引起了國內(nèi)外許多專家學者的關(guān)注［2］。稻曲病不僅影響水稻產(chǎn)量和稻米米質(zhì)，還對人畜的健康構(gòu)成一定危害，極大地影響了水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和食品安全。水稻稻曲病的防治和抗病機理研究日益成為人們關(guān)注和亟待解決的問題。因此，有效控制水稻稻曲病的發(fā)生，對中國的稻米品質(zhì)及糧食安全尤為重要。

1 水稻稻曲病的分布及危害

稻曲病是由半知菌亞門綠核菌屬綠核菌［Ustilaginoidea virens（cooke）Tak.］引起的一種水稻穗期病害，又稱偽黑穗病、谷花病、青粉病、黑球病等。明朝時期李時珍最早在《本草綱目》中對該病有過記錄，稱之為“硬谷奴谷穗霉者”。此病屬于真菌性病害，多發(fā)生在水稻收成好的年份，農(nóng)民誤認為是豐年征兆，故有“豐收果”俗稱。近年來在中國及各地稻區(qū)普遍發(fā)生，且逐年加重，已成為水稻主要病害之一。

稻曲病在世界大多數(shù)稻區(qū)都有發(fā)生，中國早有記載。但20 世紀60 年代前零星發(fā)生，危害輕微，不為人們所注意。20 世紀70 年代以來，隨著新的高產(chǎn)水稻品種的培育和種植，雜交稻推廣面積和施肥水平的提高，此病發(fā)生率呈逐年上升趨勢，不少地方已造成較大損失。1992年，印度就有部分地區(qū)稻曲病發(fā)生嚴重，2000 年已被Haryana 地區(qū)列為水稻主要病害之一。據(jù)Rush等［2］報道，1997 年美國路易斯安那州稻曲病發(fā)病率達15%以上。在中國，70 年代以后，稻曲病的爆發(fā)率呈快速增長趨勢，并常常導致大流行。譚蔭初［3］報道，1982 年湖南省稻曲病發(fā)病面積達666 666.7 hm2。秦青龍等［4］報道，2014 年蕪湖縣稻曲病發(fā)病面積為9 400 hm2，占水稻種植總面積的54.2%，單季雜交稻稻田發(fā)病面積占55.7%，平均病穗率為20.5%，平均病指為14.64；單季粳稻稻田發(fā)病面積占44.7%，平均病穗率為11.7%，平均病指為5.96。研究發(fā)現(xiàn)，當每穗病粒數(shù)為1～2時，總產(chǎn)量損失率＜10%；每穗病粒數(shù)＞3時，損失率達22.7%；每穗病粒數(shù)高達10時，總產(chǎn)量損失率可達57.8%。

作為一種穗部病害，水稻稻曲病不僅影響水稻產(chǎn)量和米質(zhì)，還給稻米的食用安全以及稻田環(huán)境的生物安全埋下了隱患。水稻感染稻曲病后，稻穗空秕率增加、千粒重下將，單穗病粒數(shù)與產(chǎn)量損失率呈正相關(guān)。稻曲病不僅影響病穗本身，而且影響其周圍穗粒的養(yǎng)分運輸、發(fā)育及成熟，從而使得秕谷率增加，結(jié)實率和千粒重降低，導致水稻減產(chǎn)，其中病粒率是降低水稻產(chǎn)量的主要因素。人類已經(jīng)從稻曲球中分離得到了6 種毒素（ustiloxins），分別命名為稻曲菌毒素A、B、C、D、E、F，其中A 和B 是主要毒素。稻曲菌毒素具有熱穩(wěn)定性，100 ℃加熱30 min 不能破壞其毒性。稻曲菌毒素對老鼠有致病性，可引起其心臟和腎臟的病變。此外，用感染稻曲病菌的稻米喂食兔和雞等動物，會引起器官病變；豬食用稻曲病菌后，可引起多處內(nèi)臟器官的病變，對于母豬而言，還影響其生殖能力［5］。

2 水稻稻曲菌的生物學特征

目前有學者研究認為，稻曲病菌有2 種不同生活階段：無性世代和有性世代，無性世代為Ustilaginoidea virens（Cooke）Takahshi，屬半知菌亞門腔胞綱瘤座孢目綠核菌屬；有性世代為Claviceps oryzaesativaeHashikoa，屬子囊菌亞門子囊菌綱鹿角菌科擬黑粉菌屬［6］。稻曲病主要發(fā)生于水稻孕穗期，且稻穗下部發(fā)病率顯著高于其他部位。病菌侵入花器后，在穎殼谷縫處呈現(xiàn)淡黃色菌塊，外面包裹一層光滑的膜狀物，隨著生長期的延伸，慢慢將花序包裹，外表膜狀物也變?yōu)殂y灰色、黃綠色至墨綠色，稻曲病菌成熟時外表膜狀物龜裂，散發(fā)出墨綠色粉末狀厚垣孢子。

稻曲病菌可以產(chǎn)生有性態(tài)的子囊孢子和無性態(tài)的厚垣孢子、薄壁分生孢子3 種。田間菌核越冬后適宜條件下形成子座，子座長出子囊殼，子囊孢子成熟后便從子囊殼中釋放出來；厚垣孢子是稻田間最常見的孢子形態(tài)，即采集到的黃色或墨綠色的稻曲球，從內(nèi)到外依次為白色、黃色、墨綠色3種，圓形或橢圓形，表面不光滑，有許多不規(guī)則疣狀突起，黃色厚垣孢子萌發(fā)率最高，達90%以上，萌發(fā)最適溫度為25～30 ℃，最適pH 為5.0～8.0，溫度低于10℃或高于40 ℃、pH 小于2 或大于12 都會抑制其萌發(fā)；黑色厚垣孢子只有打破休眠才能萌發(fā)，營養(yǎng)充足條件下大多形成分生孢子，分生孢子呈卵圓形，無色透明的單胞萌發(fā)最適溫度為22～31 ℃，50 ℃致死，最適pH為6.0～7.0［7］。厚垣孢子和子囊孢子萌發(fā)后都可形成分生孢子，陳永堅等［8］研究發(fā)現(xiàn)，這3 種孢子都可侵染水稻并且致病。馬鈴薯培養(yǎng)基最適于孢子萌發(fā)，最佳碳源為蔗糖，最適濃度約為2%，其他糖對孢子萌發(fā)都有一定抑制作用，而馬鈴薯煮汁可抵消其抑制作用，說明馬鈴薯汁中含刺激孢子萌發(fā)的物質(zhì)。紫外線對厚垣孢子的萌發(fā)有一定抑制作用，黑暗條件則利于稻曲病菌的生長。

3 水稻稻曲菌的侵染機制

稻曲病菌的侵染機制一直是科研工作者研究重點，目前關(guān)于稻曲病的初期侵染源、稻曲病的侵入期、稻曲病的侵染部位與擴散等方面都取得了一定進展。

3.1 稻曲菌的初期侵染源

目前，研究者們對究竟是厚垣孢子還是菌核是稻曲病的主要初侵染源還未得出一致結(jié)論，大多數(shù)學者認為稻曲菌靠菌核和厚垣孢子附著在土壤和種子上越冬。陳永堅等［8］測定了厚垣孢子的越冬能力，結(jié)果表明其仍有萌發(fā)能力，對水稻接種后也會發(fā)病，認為成功越冬的厚垣孢子有很強侵染力，可能是初期侵染源。Webster等［9］研究報道厚垣孢子是田間可能性最大的初期侵染源?？娗擅鳎?0］研究發(fā)現(xiàn)上一年田間成功越冬的菌核能夠產(chǎn)生成熟的子囊孢子，所以認為菌核也是初期侵染源之一。Fujita等［11］將薄壁分生孢子接種于孕穗期的水稻也可發(fā)病，說明分生孢子是稻曲病循環(huán)侵染環(huán)節(jié)中的一種初期侵染源。Ou［1］報道，子囊孢子和分生孢子可以空氣傳播的方式在花器上產(chǎn)生局部病斑。杜毅等［12］研究表明稻曲病菌田間二次侵染以氣傳方式為主。綜合國內(nèi)外研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，子囊孢子、厚垣孢子和分生孢子在水稻孕穗期都可引發(fā)病癥，因此許多專家學者認為3 種孢子都是初期侵染源。

3.2 稻曲菌的侵入期

研究者們通過對不同時期水稻接種厚垣孢子試驗，研究稻曲病菌的侵染時期，大多數(shù)結(jié)果表明侵入期是從水稻的孕穗期到破口期［13］。

3.3 稻曲菌的侵染部位與擴散

李陽等［14］分別對芽期、三葉期、圓稈期、孕穗期水稻接種稻曲病菌，芽期用厚垣孢子處理種子，三葉期用厚垣孢子懸浮液侵染水稻根部，圓稈期和孕穗期用分生孢子懸浮液注射莖部，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個時期接種都可檢測到稻曲病菌，這說明稻曲病菌接種后可先在宿主體內(nèi)潛伏下來，隨著水稻生長不斷向上遷移，最后遷移到小穗中，在條件適宜時萌發(fā)。Ashizawa等［13］對孕穗期水稻接種GFP 遺傳轉(zhuǎn)化的稻曲病菌菌株，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，菌絲最先經(jīng)小穗穎殼頂端間隙進入小穗，在其內(nèi)部由上到下逐漸形成稻曲球。通過掃描電鏡和透射電鏡進行觀察，發(fā)現(xiàn)稻曲菌由花藥開裂處裂縫進入花藥室，由子房基部延伸到柱頭，向上穿出形成菌落，由雌蕊提供生長所需營養(yǎng)。

3.4 稻曲菌侵染過程

根據(jù)報道以及田間觀察，在稻曲菌開始侵染的過程中并沒有明顯的病癥，直到大約接種15 d 后才在穗上形成肉眼可見的白色真菌球，而且不是所有的穗子可以被稻曲菌侵染。此外，稻曲球開始出現(xiàn)的時間因稻曲菌的品種而異。為了確定稻穗形成可見稻曲球的時間，可在可控條件下對稻穗進行人工接種試驗。

發(fā)育中的幼穗最易受到稻曲病侵染。在水稻的孕穗期對稻穗進行接種，接種后的第一天就在小穗的外表面檢測到稻曲菌菌絲，2～9 d 菌絲快速擴展并形成膜一樣的菌絲體纏繞在毛狀體以及內(nèi)稃和外稃之間的部位，同時，內(nèi)部器官如花藥、花絲和鱗片也都有檢測到。在花器官上形成克隆之后，稻曲菌開始在穗子的內(nèi)部瘋狂增殖，17 d 后在花器官上覆蓋著白色可見的菌絲。此時有部分小穗（約10%）的花藥已完全被破壞。20 d后，真菌團繼續(xù)瘋狂地生長，最后從內(nèi)稃和外稃之間的縫隙鉆出來。后期研究發(fā)現(xiàn)被稻曲菌侵染的水稻小花不會開放，而且子房也很小，很難完成受精過程。這些研究表明，在被稻曲菌侵染之后，后面的受精過程被阻斷了。隨著時間的推移，稻曲球逐漸地被黃色覆蓋，最后在23～30 d后變成墨綠色［15-18］。

4 水稻與稻曲菌之間的相互作用

隨著分子生物學的快速發(fā)展，近年來稻曲病的研究取得了較大的進展。稻曲菌（UV-8b）的基因組已經(jīng)通過二代/三代測序技術(shù)完成測序，整個基因組大小約為39.4Mb，共有8 426 個蛋白編碼基因。Zhang等［6］用稻曲菌侵染水稻幼穗，通過轉(zhuǎn)錄組分析稻曲菌侵染初期基因的表達譜，發(fā)現(xiàn)有1 319 個基因上調(diào)表達，687 個基因下調(diào)表達。其中，發(fā)現(xiàn)有18 個效應(yīng)子蛋白能夠抑制寄主的超敏反應(yīng)，從而引起水稻感病。邵敏等［19］構(gòu)建了稻曲菌侵染的日本晴材料，發(fā)現(xiàn)OsABAM16和OsN1兩個基因上調(diào)表達。通過GUS 染色以及轉(zhuǎn)基因驗證，發(fā)現(xiàn)以上2 個基因?qū)Φ厩【哂忻黠@的抗性。宋杰輝等［20］報道bZIP［The basic leucine zipper（bZIP）transcription factor（TF）］家族轉(zhuǎn)錄因子同樣能夠響應(yīng)稻曲病菌的侵染，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）共鑒定出28 個基因，其中17 個基因在稻曲菌的不同侵染時期上調(diào)表達，8 個基因的表達量在病原菌的侵染下存在明顯變化。

晁金泉［21］對稻曲菌侵染的稻穗進行轉(zhuǎn)錄組分析，通過排除非生物（干旱、水淹等）以及其他生物（稻瘟病菌、白葉枯病菌以及紋枯病菌等）的脅迫，最終獲得7 個水稻受稻曲菌特異調(diào)控基因，其中4 個下調(diào)表達，3 個上調(diào)表達。此7 個基因可能在水稻-稻曲菌互作過程中扮演重要角色，為育種家培育抗稻曲病水稻品種奠定了基礎(chǔ)。

5 水稻稻曲病的分子生物學研究

目前，國內(nèi)外學者對水稻稻曲病已做了大量的研究，包括稻曲菌的致病遺傳機制、水稻的抗病遺傳機制及抗性基因的鑒定、抗稻曲病水稻品種的篩選鑒定等，并取得了一定的進展。

5.1 水稻抗稻曲病遺傳機制及抗性位點的鑒定

方先文等［22］對稻曲病抗病品種早光頭粳和感病品種粵泰B 進行了抗性遺傳分析。結(jié)果表明，水稻抗稻曲病是2 對主基因+多基因的混合遺傳模型，第1 對主基因以顯性效應(yīng)為主，加性效應(yīng)次之；第2對主基因以顯性效應(yīng)為主，但加性效應(yīng)很弱；主基因抗性遺傳率為76.67%，多基因抗性遺傳率為22.86%。目前對于稻曲病致病的遺傳機制還不清楚，水稻抗稻曲病基因的研究很少。Li等［23］利用感病品種大關(guān)稻和抗病品種IR28 構(gòu)建了157 個重組自交系，進行人工接種，2 年檢測到7 個QTL 位點（qFs r1、qFs r2、qFs r4、qFs r8、qFs r10、qFs r11 和qFs r12），依次位于水稻第1、2、4、8、10、11 和12 號染色體上，貢獻率為9.8%～22.5%。其中2 個QTL 位點qFs r10 和qFs r12 與徐建龍等［24］用Lemont/特青近等基因系檢測到的位點位置相近，推測為同一抗性基因，有望和其連鎖的分子標記應(yīng)用于分子育種選育稻曲病抗性材料。

5.2 水稻抗稻曲病品種的篩選及鑒定

余育超［25］針對在日本晴數(shù)據(jù)庫中檢索出的551個抗病基因同源序列（RGA）設(shè)計了472 對RGA 引物，對178 份全球水稻微核心種質(zhì)資源進行檢測，檢測到其中88 份種質(zhì)具稻曲病抗性，此外發(fā)現(xiàn)五個連鎖分子標記9RGA89、RGA306、RGA321、RGA391 和RGA3975 與稻曲病抗性數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。王連平等［26］田間自然接種浙江金華稻曲病重發(fā)區(qū)113 個水稻品種。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)秈稻和常規(guī)粳稻不發(fā)病或輕微發(fā)病，而雜交秈稻和雜交粳稻發(fā)病率高，粳稻發(fā)病率高于秈稻發(fā)病率。黃瑞榮等［27］鑒定了83 份江西省雜交晚稻區(qū)域試驗品種（組合）和39 份南方雜交晚稻區(qū)域試驗品種（組合）的稻曲病抗性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同品種的雜交水稻稻曲病抗性顯著不同，大多數(shù)感病，其抗性與水稻類型、生育期和配組方式相關(guān)。早熟品種高于中熟和晚熟品種，秈稻高于粳稻，三系組合高于兩系組合，多數(shù)無地域差異，少數(shù)有地域差異［18］。

6 展望

水稻作為全球超過50%人口的糧食作物，水稻稻曲病的為害嚴重影響了水稻的產(chǎn)量以及稻米品質(zhì)。雖然近年來國內(nèi)外學者對稻曲病做了大量的研究工作，對稻曲病的分布與寄主、分離與培養(yǎng)、危害與危害機理，尤其是對水稻與稻曲菌的互作進行了深入的研究，但由于苛刻的接種條件以及難以劃分的表型，學者至今還沒有克隆到重要的抗性基因以及培育出抗稻曲病的水稻材料，這還有待進一步的深入研究。