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玉米种质自然条件下抗锈性评价

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摘要:利用形态特征和分子标记技术对海南省南繁区玉米锈病病原菌进行了鉴定,并对创制的玉米种质材料在自然发病条件下进行成株期抗锈性鉴定。结果表明,海南省南繁区玉米锈病病原菌为玉米多堆柄锈菌;对161份玉米种质在散粉期进行抗锈性鉴定可知,有100份玉米种质表现为高抗和抗病,21份种质表现为感病,14份玉米种质表现为高感。结果显示,不同玉米种质对南方锈病的抗性存在明显差异,加强玉米种质抗锈性研究对玉米锈病的防治具有重要意义。

关键词:玉米锈病;玉米种质;抗性

玉米锈病是影响玉米生产的重要病害,在已报道的4种玉米锈病中[1],我国主要发生的有由玉米柄锈菌(PucciniasorghiSchw.)引起的普通玉米锈病和由玉米多堆柄锈菌(PucciniapolysoraUnderw.)引起的玉米南方锈病。其中,普通玉米锈病是我国东北地区玉米发生的主要类型,华北、华南和西南等地区也是普通玉米锈病的发生区域[2]。一般认为,该病害对玉米产量影响不大,但近年有为害加重的趋势。玉米南方锈病于1891年首次在鸭茅状摩擦禾(Tripsacumdactiloides)干标本上被发现,于1897年被正式定名[3]。玉米南方锈病于1950年在西非多个国家大流行,造成严重损失。在此之前,西非的玉米锈病均为普通型锈病,对玉米产量影响很小[4]。在我国,20世纪70年代发现了玉米南方锈病在海南、台湾发生为害[2,5]。随着气候及耕作制度的变化,加之当前生产上主要玉米品种缺乏抗锈性,玉米南方锈病由仅为害南方玉米区逐步向北方玉米种植区扩展。1997—1998年玉米南方锈病在浙江淳安县、河北省邯郸、沧州地区以及山东、河南、江苏大面积暴发[6-7]。2015年玉米南方锈病在黄淮海夏玉米产区大流行,造成严重减产[8]。目前,玉米南方锈病在全国20多个省份均有报道,由于该病害可远距离传播,病原菌可能随强气流在更大的区域扩散。布局抗病品种是控制玉米锈病经济、安全的措施,多国推广抗病品种防治玉米锈病已取得明显成效[9]。国内学者发现,不同玉米品种、自交系对锈菌的抗性差异很大[10-16],玉米种质抗性水平差异明显,为培育抗病品种提供了可能。玉米育种除考虑抗病特性外,还需要综合考虑结实性等丰产性状,已报道的玉米品种(品系)抗锈性多为在当地辅以人工接种进行的抗性鉴定。本研究于海南三亚南繁区玉米锈病自然发生条件下,对创制的部分玉米种质进行抗锈鉴定与评价,旨在了解这些玉米种质对玉米锈病的抗性水平,以期为培育兼具丰产性和抗锈性的玉米品种筛选骨干种质。

1材料和方法

1.1材料

供试玉米种质共161份,其中,兰卡斯特(Lan-caster)群、瑞德(Reid)、Lancaster/衣阿华瑞德黄马牙(Iodent)、黄早四/Iodent以及Reid/黄早四、Reid/Lancaster、黄早四/旅大红骨改良系分别为3,5,5,8,43,29,66份,除对照自交系外,其余各玉米种质均为笔者选育创制。

1.2方法

试验点设在海南省三亚市黄流镇,每份种质种植5行区,最终每行留苗25株。至散粉期未喷施杀菌剂。

1.2.1玉米锈病病原鉴定在玉米进入散粉期,采集发病病叶,用4%戊二醛固定后扫描电镜观察。刮取叶片上锈菌孢子,液氮研磨,用CTAB法提取玉米样品中锈菌的DNA,利用CROUCH等[17]设计的区分普通锈菌和南方锈菌的2对引物POLYF/POLYR和COMF/COMR(POLYF序列为5′-ccaagaggtacacctgtttgagt-3′,POLYR序列为5′-CATTATTACACATCAAGTCAATCCA-3′;COMF序列为5′-CCAAAAGGCACACCTGTTTGAGT-3′,COMR序列为5′-AATTATTACACATCAAGTCAATCCA-3′)对样品中锈菌分别进行PCR扩增。然后分别利用低熔点琼脂糖回收片段,连接pTZ57R/T载体。转化后每个样品挑选至少3个阳性克隆重复测序。将序列分别在NCBI进行Blast比对。引物由苏州金唯志生物技术有限公司合成,序列测定由北京信诺金达生物科技有限公司完成。

1.2.2玉米锈病调查方法锈病调查在玉米散粉期进行,每份种质调查5行,每行连续调查25株。发病严重度按照傅俊范等[18]玉米锈病调查标准进行病情分级:0级,叶片上无可见病斑;1级,发病面积占叶面积5%以下(包括5%);2级,发病面积占叶面积5%~10%(包括10%);3级,发病面积占叶面积10%~25%(包括25%);4级,发病面积占叶面积25%~40%(包括40%);5级,发病面积占叶面积40%~65%(包括65%);6级,发病面积占叶面积65%以上。

2结果与分析

2.1玉米锈病病原菌鉴定

玉米散粉期黄流镇田间锈病自然发生较为普遍,夏孢子堆分布于叶片正面,淡黄色,呈卵圆形。采集发生锈病的病叶,用4%戊二醛固定液抽气固定,扫描电镜观察到夏孢子表面具有交错排列的较密集的刺突,刺突基部外围有近圆形凹陷的脊(图1)。部分刺突倾倒可能是由样品抽气处理所导致。利用引物POLYF/POLYR对20个玉米锈病病原菌的rDNA进行PCR扩增,18个标样均能得到约300bp的单一片段(图2),对该片段用低熔点琼脂糖回收、T载体克隆测序,分析表明,各扩增片段序列为288bp,序列间碱基相似性为100%。Blast比对结果显示,三亚市黄流镇玉米锈病病原菌扩增序列与CROUCH等[17]登录的玉米南方锈病病原菌(GenBank:HQ189432)的碱基序列相似性为99%。利用引物COMF/COMR对上述20个锈病病原菌进行PCR扩增,未得到可辨产物。这些结果显示,本研究南繁种植点玉米锈病病原菌为玉米多堆柄锈菌(PucciniapolysoraUnderw.)。

2.2玉米种质对南方锈病的抗性表现

通过在玉米散粉期进行锈病田间调查,明确了创制种质对南方锈病的抗性等级(表1)。供试的161份玉米种质中,对照种质黄早四高感南方锈病;对玉米南方锈病抗性表现为1,2,3,4,5级的材料分别占总种质的42.86%,19.25%,16.15%,13.04%和8.07%;未发现对玉米南方锈病免疫的种质材料。表现抗病及高抗的种质有100份,高感的种质有14份(表1)。结果表明,不同玉米种质对南方锈病的抗性存在明显差异。供试的Lancaster,Reid以及Lancaster/Iodent改良系的抗病性表现为高抗和中抗。Reid/Lancaster改良的29份种质中表现抗病和高抗的有22份,中度抗病的有5份,仅有2份表现为感病。高感南方锈病但结实性优良的黄早四分别和Iodent,Reid改良后,各自有接近1/2的改良材料表现为抗病或者高抗(表1)。黄早四与旅大红骨改良的种质中,43份(占比65.2%)表现抗病及高抗,12份(占比18.2%)种质材料高感南方锈病。热带种质自交系8085泰高抗玉米南方锈病。本研究中,玉米种质的大多数对南方锈病表现抗病或中度抗病,而含有热带血缘的材料表现高度抗病,这与前人的研究结果一致。通过本研究鉴定筛选的这些材料对玉米抗锈育种具有重要价值。

3结论与讨论

海南、广东、广西、福建、台湾、云南、贵州、山东、陕西、山西、河北等地玉米普通锈病和南方锈病2种病害都有发生,尤其是玉米南方锈病在我国发生范围逐步北扩,已在我国多个省份多次发生大流行,目前已经成为南方和黄淮海玉米主产区的一种主要病害。分析其流行的原因,可能与当前主栽品种郑单958、先玉335等品种抗性差[18]、病原菌小种的适应性[19]有一定的关系;另外,强气流北上加快了锈菌夏孢子在玉米产区的传播速度,可能促使玉米南方锈病发生范围向北扩展。由于种植户防治玉米病害管理措施粗放以及玉米生长后期施药困难的特点,面对玉米锈病加重发生的严峻形势,解决生产上的病害问题,急需加强玉米抗锈性研究和品种选育,筛选适宜当地种植的抗性品种,遏制玉米锈病的流行势头。同时,玉米抗锈品种选育除考虑其抗病特性外,还应考虑品种丰产性、脱水性、抗倒性以及环境适应性等多个因素。试验证明,一些热带种质具有优良的抗锈性,但由于生育期长、适应性差、品质差等原因难以直接用于玉米育种。Lancaster群、Reid群、Iodent群以及旅大红骨群被育种者普遍认可,将热带种质导入这些优势群的代表自交系,经多代回交转育有望获得优良抗锈种质材料进而配制玉米新组合。由于育种方向原因,笔者的种质中未使用抗锈性十分突出的齐319[20],而是充分利用Lancaster群、Iodent群和Reid群种质的抗病性,辅以8085泰等不同的抗源材料导入这些优势群的优良自交系。同时试验结果说明,优良自交系黄早四与Reid群改良材料中高抗玉米南方锈病的种质少,而黄早四/旅大红骨改良材料中高抗玉米南方锈病的比例较高,有望筛选出兼具丰产性、适应性和抗锈性的种质材料。

作者:刘秀峰 吴红宇 楼辰军 杨兆顺 袁文娅 许高平 单位:天津市农作物研究所

玉米种质自然条件下抗锈性评价责任编辑:张雨    阅读:人次
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