玉米茎腐病研究进展

沈丘县农牧局农药监督管理站 张凤丽



玉米茎腐病研究进展

沈丘县农牧局农药监督管理站 张凤丽

玉米茎腐病又称玉米青枯病，是一种毁灭性的土传病害，在世界主要玉米种植区均有发生。从1980年开始，该病在中国各玉米产区相继发生，一般年份发病率为10%～20%，严重时超过70%，一般造成的产量损失在20%～30%，局部地区在50%以上，严重时甚至绝收。此外，茎腐病严重影响玉米品质以及因茎秆破损倒伏而带来的收获问题。

一、病原菌及病症

玉米茎腐病病原菌比较复杂，国外有报道，轮枝镰孢（F. verticillioides）、 禾 谷 镰 孢（F. graminearum）等是造成美国玉米茎腐病发生的主要致病菌，腐霉菌主要危害苗期和散粉前的玉米植株；而西欧的病原菌主要是干腐菌（F. zeae）和轮枝镰孢。有关玉米茎腐病的病原菌问题国内学者争论了20多年，我国近期研究发现，玉米茎腐病病原菌主要以腐霉菌和镰孢菌为主，目前尚未明确哪个致病作用强，并且认为它们独立或复合侵染导致茎腐病的发生，而其中对镰孢菌研究报道相对较多。

镰孢菌是茎腐病的主要病原菌，其属内的多个种均可侵染玉米，如禾谷镰孢菌、层出镰孢菌（F. proliferatum）和轮枝镰孢菌等。由于各地地域环境、耕作制度、气候条件等的不同或变化，不同国家或地区玉米种植区的镰孢菌种群组成和分布存在差异。陕西关中主要是禾谷镰孢菌，广西主要是串珠镰孢菌和同色镰孢菌，湖北主要是串珠镰孢菌，山东主要以瓜果腐霉菌为主，并以禾谷镰孢菌复合侵染所致。河南省玉米茎腐病是由多种镰孢菌单一或者复合侵染引起的，其中包括禾谷镰孢菌、半裸镰孢菌（F. semitectum ）、层出镰孢菌和轮枝镰孢菌及其中间变种（F. moniliforme var intarmadium），还有尖孢镰孢菌（F. oxysporum ）。其中禾谷镰孢菌分布广，分离频率高，致病性最强；轮枝镰孢菌次之。

田间病原菌可侵染玉米的根、茎和穗等组织，导致苗枯、根腐、茎腐和穗腐等病害。从开始发现病叶到整株发病，一般经历5～8d。根部发病后，表现根腐，初生根和次生根腐烂变短，根囊皮松脱，髓部变为空腔，须根和根毛减少，整个根部极易拔出。茎部发病后，在茎基节间产生纵向扩展的不规则状褐斑，其后很快变软下陷，内部空松，组织腐烂，维管束呈丝状游离，可见白色或玫瑰红色的菌丝，随后在产生玫瑰红色菌丝的残秆表面可见蓝黑色的子囊壳。茎秆发病后，表现腐烂，自茎基第1节开始向上扩展，可发展第2～3节，甚至全株，病株极易倒折。叶部发病后，叶片一般不产生病斑，叶部症状一般呈现青灰色干枯。植株感病害，后期通常伴随有玉米穗下垂，穗柄柔韧较软，果穗小，穗轴心干缩，籽粒干瘪不饱满，千粒重显著下降，而且没有光泽，脱粒困难。

二、致病机制

玉米在苗期就能被病原菌侵染，但只有到植株散粉期才能扩展到茎基部，一般在玉米灌浆末期开始发病，乳熟末期至蜡熟期为发病高峰期。在整个侵染循环过程中，病原菌对植株的破坏包括其自身的繁殖过程，产生对植株有毒害作用的细胞壁降解酶、毒素降解寄主细胞；另外，利用被降解的组织细胞。通过繁殖出的孢子来堵塞植株的营养运输等。大量研究表明，细胞壁降解酶能明显分解幼苗胚根的细胞壁的中胶层和其他细胞壁成分，造成质壁分离和原生质的外流；寄主细胞壁分解后产生大量的细胞壁碎屑和微纤丝，使寄主维管束的纹孔膜堵塞而导致萎蔫症状。

三、玉米茎腐病鉴定评价方法

目前，针对玉米茎腐病的鉴定方法主要采用人工接种方法。根据接种部位不同，分为地上部茎基节间髓组织注射接种、牙签接种和米粒接种和地下根部土壤接种。接种时间多数在抽雄期到散粉期，接种部位在地上第2节间，于接种后21～28d进行鉴定。其中，牙签接种和注射接种均属感染茎基节间髓组织，其结果比较一致，牙签接种和注射接种的致病性受环境影响较小，其抗性反应基本上属于基因型表现。而且注射接种具有用菌量一致、发病均匀、接种速度快等优点。因此，该方法适用于大量育种试材的抗性鉴定，而土壤接种适用于少量的重要育种试材或主要杂交种大量生产前的抗性评价。但晋齐鸣等研究认为，注射接种、牙签接种虽简便，但仅根据第2节髓部的变褐，并不能真实反映品种的真实抗性。土壤接种主要预测根系抗性，与自然感病基本相符，但植株发病易受环境影响。而播种期接种法和散粉期根埋法，均能产生典型症状，播种期接种法较散粉期根埋法省时省力。此外，玉米茎腐病鉴定不同时期存在差异，田间接种成株期发病率不高，与该病害的特性有较大关系。多数研究认为，苗期测定结果可作为参考，成株期的鉴定结果较为重要。

有关玉米茎腐病的病情分级和抗性评价标准国内外学者进行了界定。龚士琛等将玉米乳熟后期分5个级别鉴定玉米茎腐病病情。标准为：0级，植株正常生长；1级，病株由下而上青枯，占全株叶片的1/4以下，茎基1～2节无症状；2级，青枯叶片占1/2左右，茎基1～2节稍有水渍状；3级，青枯叶片占2/3以上，茎基部变软，果穗开始下垂；4级，全株叶片青枯或枯死，茎基部松软变褐，果穗下垂、倒伏。王晓鸣等根据发病株率将玉米茎腐病病情划分为5个等级：1级，发病株率在0%～5.0%，高抗（HR）；3级，发病株率在5.1%～10.0%，抗病（R）；5级，发病株率在10.1%～30.0%，中抗（MR）；7级，发病株率在30.1%～40.0%，感病（S）；9级，发病株率在40.1%～100%，高感（HS）。目前，在国家玉米新品种审定中，针对玉米茎腐病的评价标准与王晓鸣的相一致。

四、玉米茎腐病遗传研究进展

（一）玉米对茎腐病的抗性机制

玉米对病原菌的抗性是形态结构、生理生化代谢协同作用的结果。玉米灌浆期叶面积大小、茎节密度、茎秆硬度、根系拔力都可以对玉米的抗病性产生影响。研究表明，玉米茎腐病的发病率与茎秆硬度存在相关性，而与茎秆直径、茎皮厚度之间没有相关性；茎秆越硬，拔根所需力越大，抗性越强。此外，寄主超微结构的变化也是一种抗病反应，如抗病植株主根和茎基部皮层细胞壁及中柱维管束的细胞壁厚，大导管数量多，筛管细胞粗短。在玉米生理代谢过程中，玉米对茎腐病的抗性机制是以可溶性糖含量为基础，酚类物质和钾、硅元素代谢为核心，膜脂过氧化、渗透调节、病程相关蛋白诱导等因子共同参与的复合防御体系。因此，抗性品种接种后通过提高组织内含糖量、防御酶系酶活性，诱导新的同工酶、木质素和酚类物质的合成来提高玉米对茎腐病的抗性。茎秆含糖量越高，抗茎腐病能力就越强。另外，在生产中发现，合理施用氯化钾能增强玉米对茎腐病的抗性，降低发病率，提高玉米产量。钾素作为植物所必需的大量元素之一，与植物体内碳水化合物的合成和转化关系密切。在缺钾条件下，病原菌的入侵造成幼根中的蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性下降，蔗糖的合成受阻，植株只能被动地依靠已有的碳水化合物为抗病代谢提供能量和原料，促使蔗糖含量显著降低。而在充足供钾的条件下，SPS和蔗糖合成酶（SS）活性增加，植株拥有较活跃的糖代谢能力，对植株体内蔗糖含量起到了协调作用，从而提高了植物的抗性。因此，施钾有利于增加病原菌侵染后幼根组织SS和SPS基因的表达量，提高SS和SPS的活性，维持被侵染部位正常的糖代谢水平。

（二）玉米茎腐病的遗传研究

多数研究认为，玉米对茎腐病的抗性是数量性状受多个基因控制，以加性基因效应为主。许明学等对1 549份试材进行接种试验，结果表明，玉米对茎腐病的抗性主要由基因加性效应控制，基因加性方差占遗传总方差的66.3%～71.3%。陈永欣通过对抗性不同的10个自交系的双列杂交试验指出，正反交抗性差异不明显，属于核基因控制性状，F1代主基因的加性效应大于显性效应，为数量遗传，抗性遗传力较高，亲代与F1之间的相关系数达显著水平。宋玉墀等报道指出，玉米对茎腐病的抗性表现为数量性状遗传的特点，加性效应是重要组成部分，属核基因控制。此外，王奎生等利用6个组合的6个世代材料分析玉米茎腐病的抗性基因效应，结果表明，抗病性在世代间有显著差异，抗病性同时受基因加性和上位性效应的控制。另外，也有研究认为玉米茎腐病病原菌复杂，由多种病原菌复合侵染所致，玉米对茎腐病病原抗性因不同材料和病原菌所表现的抗性遗传形式可能不同。Toman等通过对单病原菌接种试验，首次提出玉米对青枯病的抗性可能是由显性单基因控制。王振华研究认为，不同致病菌的抗性遗传方式归纳起来可分为两种：多基因控制的数量遗传且多为加性效应占主导地位和由少数核基因控制的简单遗传。陈绍江等以禾谷镰孢菌和禾生腐霉菌混合接种，研究认为禾谷镰孢菌和禾生腐霉菌的抗性基因是同一基因，而且是显性单基因。近年来，随着分子标记技术不断更新，玉米茎腐病QTL定位研究也取得了一些进展。Yang等通过接种禾谷镰孢菌，把玉米茎腐病抗性基因定位于第6号染色体上，并找到紧密连锁SSR标记mmc0241。另外，Yang等利用回交群体，检测到1个玉米茎腐病抗性的主效QTL qRfg1，该主效QTL的抗性效应在DH群体、F2群体、高世代回交群体中得到了进一步验证，并将其精细定位在标记SSR334和SSR58之间，物理距离约为500kb。此外，徐作廷等研究认为， 玉米茎腐病的抗性与农艺性状的遗传相关，即茎腐病病株率与穗行数、千粒重分别具有显著的正向和负向的遗传相关；病株率和病情指数分别与株高、穗位高、茎粗、生育期和病毒病呈极显著的负相关，与双穗率呈显著的正遗传相关，与大斑病、小斑病和空秆率相关不显著。张培坤等研究认为，玉米品种间对青枯病的抗性存在着显著的差异性，不同品种其发病程度也不同。一般来说，中晚熟品种较抗病，分析认为可能是由于生育期长，制造积累的营养物质多，增强其抵抗能力所致。

（三）玉米茎腐病的育种研究

目前，针对玉米茎腐病的防治主要以选用抗病的品种为最常用、最有效的方法。选择抗源是抗病育种的关键，抗源基因的寻找可以扩展到玉米的近缘属材料，例如大刍草、高粱等，然后依据玉米对不同病原菌抗性的遗传方式，采用不同的方法。对于抗性的数量遗传方式，采用混合选择和轮回选择改良玉米。另外，自交系对茎腐病的抗性提高是有效的，而对某些病原菌的抗性表现为质量性状，可将某一自交系和优良抗源进行杂交，然后再与这个自交系进行回交可改进其抗性，也可采用交替自交和回交的方法。注意，不管采用什么方法，在选育抗病品种时，应将其放在综合表现中测试，以防抗病与产量呈负相关。此外，综合玉米对茎腐病的抗性机制，选择叶片较大，茎秆硬度强，根系拔力大，灌浆期茎秆中蔗糖、木质素含量高，酶活性高的植株将明显提高抗病育种效率。近年来，在河南大部分地区选择种植抗病较强的品种有郑单958、先玉335、郑单538、郑单1002等。

五、存在的问题

近年来，国内外对玉米茎腐病的研究取得了一些成绩，但同时也存在一些问题。

（一）缺乏准确的表型鉴定方法

由于病原菌的复杂性以及外界大规模发病环境条件的不可控性，给玉米茎腐病的鉴定带来了很大困难。目前，大多数研究主要针对一种致病菌进行单因子研究，而田间实际发病多数是由多个致病因子综合作用的结果，因此，玉米茎腐病评价鉴定体系需要进一步不断完善、更新。

（二）生产中缺少抗性强而稳定的推广品种

玉米茎腐病作为一种典型土传病害，目前生产中推广的主栽品种以感病品种居多。随着我国玉米育种目标的调整，适应当前或以后玉米高产、稳产、抗逆及机械收粒的战略目标将是我们努力的方向。

（三）遗传机理或功能基因研究较浅，缺乏与抗病基因相关的有效分子标记

尽管目前一些抗病诱导基因己在一些植物中被鉴定，但抗病机制研究较浅，多数研究仅围绕单个基因进行，而未系统研究基因间的相互作用机制或基因在生物体内的代谢调控机制。

六、对未来的展望

未来玉米茎腐病的研究方向主要从以下几个方面着手：

（一）借鉴已有的研究结果，完善现有的设施或方法，在为病害发生创造良好的发病条件前提下，对玉米抗病性鉴定指标进行遗传研究，建立一套标准的系统评价体系。

（二）利用多途径或多方法，如诱变技术、转基因以及单倍体技术，创造抗源材料，丰富现有的种质资源库。

（三）利用高通量的分子标记技术，开发大量高效的分子标记，通过精细定位并克隆优质抗病主效QTL，以提高分子标记辅助选择在玉米对茎腐病抗性遗传改良中的应用效率。

（四）基于目前玉米基因组数据库信息，利用现代生物学技术如RNA-seq技术、全基因组重测序技术，对玉米茎腐病抗性进行全基因组范围的功能基因研究，进而来揭示出玉米抗性遗传机制。