國外種質對玉米禾谷鐮孢莖腐病與穗腐病的抗性鑒定與分析

那明慧, 陳曉旭, 趙睿杰, 王作英, 高增貴

(1.丹東農業(yè)科學院, 遼寧 鳳城 118100; 2.沈陽農業(yè)大學植物保護學院, 沈陽 110161)

因作物密植、氣候變化、秸稈還田等因素影響,玉米莖腐病和穗腐病呈加重趨勢,廣泛發(fā)生于我國各個玉米生產種植區(qū),導致玉米產量和品質大幅下降,嚴重威脅玉米生產。引起玉米穗腐病和莖腐病的主要致病菌為禾谷鐮孢菌(Fusariumgraminearum),是我國東北及其他地區(qū)玉米莖腐病和穗腐病的優(yōu)勢致病菌。選擇抗病品種是目前最安全、最經濟、最有效的治理玉米病害的措施?，F階段大部分地區(qū)對于玉米自交系的鑒定大多選擇田間自然發(fā)病,較為粗放,不同地區(qū)不同年份間環(huán)境因素不同,發(fā)病條件發(fā)生變化,自然發(fā)病存在許多不確定因素,發(fā)病不充分,或者有其他病原菌的干擾,導致鑒定結果不準確。人工接種可以保障被鑒定的品種或種質資源接種指定的病原菌,不被其他雜菌干擾,并且可以人工干預接種后鑒定圃的發(fā)病條件,適量的病原菌加上適宜的發(fā)病條件可以誘導病害的發(fā)生、控制病害發(fā)展,使鑒定結果更為準確。目前通過人工鑒定已篩選出一批抗性水平不同的玉米鐮孢莖腐病和穗腐病抗性資源,對抗玉米禾谷鐮孢莖腐病和穗腐病品種的選育起到了重要的促進作用,相關玉米抗鐮孢莖腐病和穗腐病的鑒定評估工作已取得了重要成果[1-9]。

目前,我國玉米抗性種質資源無法滿足育種需求,所以引進、鑒定和利用國外種質資源具有重要意義[10]。由于外引種質資源的所屬環(huán)境不同,對各病害的抗性水平也不同。因此,國外種質資源的人工接種鑒定和抗性資源的定向篩選就顯得格外重要。本研究采用人工接種方法,對引自美國、加拿大、巴西、波蘭、德國、墨西哥等國的225份玉米種質資源進行了抗禾谷鐮孢菌的鑒定和評價,以期為抗病育種和種質資源的改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為225份引自國外的自交系,其中68份來自美國,27份來自加拿大,43份來自巴西,32份來自波蘭,19份來自德國,36份來自墨西哥,以上種質資源均由丹東農業(yè)科學院玉米所多年自交留存并提供。所有自交系共設置2個處理,每處理每份材料種植3行,行長3.5 m,行距0.6 m,每行15株,3行保證留苗40～45株,每隔100份自交系設置1組抗感對照。第一個處理接種玉米莖腐病,抗、感對照分別是齊319、掖478。第二個處理接種玉米穗腐病,每株僅接種第一個雌穗,選用的抗、感對照分別為X 178、B 73。每處理抗感對照設2次重復。

1.2 供試菌株

禾谷鐮孢菌由沈陽農業(yè)大學植物保護學院提供,MF 3和FG 16由丹東農業(yè)科學院植物保護研究所提供。

1.3 試驗方法

1.3.1玉米莖腐病的接種

接種期為玉米大喇叭口期(V 13)至抽雄初期(VT),全天均可接種,接種鑒定田常規(guī)化管理。將禾谷鐮孢菌接種到馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)液(Potato Dextrose,簡稱PD)中,25 ℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)5～7 d。用紗布過濾后,加入無菌水稀釋。在靠近植株根部25～30 cm處,用電鉆或尖銳器具以45°角向斜下方打孔至玉米莖稈中部(不要穿透玉米莖稈),將1 mL孢子懸浮液注入孔內后,用凡士林將傷口密封,以防菌液流出或其他病原菌在傷口處侵染影響鑒定結果。每個自交系接種不少于40株。

1.3.2玉米穗腐病的接種

接種時期為玉米吐絲后10～14 d,全天均可接種。接種鑒定田常規(guī)化管理。將禾谷鐮孢菌接入PD中,在25 ℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)5～7 d。紗布過濾后,用無菌水調節(jié)分生孢子濃度至2×106個/mL。自交系接種采用籽粒注射法,用尖銳的金屬器具先在雌穗中部鉆孔,再用連動注射器將2 mL孢子懸浮液注入傷口中后,傷口用凡士林密封,以防菌液流出或其他病原菌在傷口處侵染影響鑒定結果。3行接種不少于20株[6-11]。

1.4 評價標準

1.4.1玉米莖腐病病情分級標準

玉米進入乳熟期(R 4)進行病情調查,記錄調查數據,按照NY/T 1248.8—2016玉米抗病蟲性鑒定技術規(guī)范[12],按捏植株基部,感覺空心、松軟,或莖皮明顯變褐的植株,即是發(fā)病植株。

當設置的高感對照(掖478)達到高感程度9級(發(fā)病株率超過40%)時,該批次鑒定視為有效。計算每份鑒定病級,并依據級別確定該鑒定材料對莖腐病的抗性,抗性的劃分標準見表1。記錄每份鑒定材料的總株數和發(fā)病株數,計算各鑒定材料的發(fā)病株率。

表1 玉米鐮孢莖腐病抗性評價標準Table 1 The criteria of evaluation for maize resistance to fusarium stalk rot

1.4.2玉米穗腐病病情分級標準

按照NY/T 1248.8—2016玉米抗病蟲性鑒定技術規(guī)范9級分級標準,1級:發(fā)病面積占雌穗總面積的0～1%;3級:發(fā)病面積占雌穗總面積的2%～10%;5級:發(fā)病面積占雌穗總面積的11%～25%;7級:發(fā)病面積占雌穗總面積的26%～50%;9級:發(fā)病面積占雌穗總面積的51%～100%。

待玉米成熟后進行病情調查,并記錄調查數據。當設置的感病對照(B 73)材料平均病級≥5.6,抗病對照(X 178)平均病級≤3.5時,該批次鑒定視為有效。計算每份鑒定材料雌穗的平均病級,并依據平均級別確定該鑒定材料對穗腐病的抗性,病情級別的劃分標準見表2。

表2 玉米鐮孢穗腐病抗性評價標準Table 2 The criteria of evaluation for maize resistance to fusarium ear rot

1.5 數據分析

利用Microsoft Excel 2013軟件分析處理數據;利用SPSS軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 玉米種質鐮孢莖腐病的抗性鑒定

2020—2022年,連續(xù)3年在同一地塊人工接種玉米鐮孢莖腐病,鑒定評價225份國外的玉米種質,調查結果顯示,3年間充分發(fā)病。

圖1 玉米種質鐮孢莖腐病的抗性水平Fig.1 Different levels of resistance to fusarium stalk rot in maize germplasm

2020年抗性對照齊319和感病對照掖478分別表現為抗(6.8、9.2)和感、高感(37.3、42.0)。對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為19、48、64、27、67份,占比分別為8.4%、21.3%、28.4%、12.0%、29.8%。其中,來自美國的種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為6、9、6、11、16份,分別占總數的2.7%、4.0%、11.6%、4.9%、7.1%;加拿大的種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為3、9、7、1、7份,分別占總數的1.3%、4.0%、3.1%、0.4%、3.1%;巴西種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為2、14、9、3、15份,分別占總數的0.9%、6.2%、4%、1.3%、6.7%;波蘭種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為4、7、6、6、9份,分別占總數的1.8%、3.1%、2.7%、2.7%、4.0%;德國種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為2、14、9、3、15份,分別占總數的0.9%、6.2%、4.0%、1.3%、6.7%;墨西哥種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為2、6、12、5、11份,分別占總數的0.9%、2.7%、5.3%、2.2%、4.9%。

2021年整體發(fā)病程度較2020年重。齊319和掖478的發(fā)病級別分別為抗(8.1、9.6)和高感、感(54.2、37.8)。對鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為5、8、87、53、72份,占比分別為2.2%、3.6%、38.7%、23.6%、32.0%。其中,來自美國的種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為2、1、30、14、21份,分別占總數的0.9%、0.4%、13.3%、6.2%、9.3%;加拿大的種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為1、3、7、7、9份,分別占總數的0.4%、1.3%、3.1%、3.1%、4.0%;巴西種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為1、13、12、17份,分別占總數的0.4%、5.8%、5.3%、7.6%;波蘭種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為17、8、7份,分別占總數的7.6%、3.6%、3.1%;德國種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為1、1、7、6、4份,分別占總數的0.4%、0.4%、3.1%、2.7%、1.8%;墨西哥種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為1、2、13、6、14份,分別占總數的0.4%、0.9%、5.8%、2.7%、6.2%。

2022年整體發(fā)病程度與2021年相比較輕。2022年齊319和掖478的發(fā)病級別分別為抗(6.8、5.6)和感、高感(36.1、48.0)。對鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為10、14、89、42、70份,占比分別為4.4%、6.2%、39.6%、18.7%、31.1%。其中,來自美國的種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為2、8、28、11、19份,分別占總數的0.9%、3.6%、12.4%、4.9%、8.4%;加拿大的種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、中抗、感和高感的種質分別為1、13、8、5份,分別占總數的0.4%、5.8%、3.6%、2.2%;巴西種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為6、1、10、11、15份,分別占總數的2.7%、0.4%、4.4%、4.9%、6.7%;波蘭種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為高抗、抗、中抗、感和高感的種質分別為1、5、12、6、8份,分別占總數的0.4%、2.2%、5.3%、2.7%、3.6%;德國種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為6、4、9份,分別占總數的2.7%、1.8%、4.0%;墨西哥種質資源對玉米鐮孢莖腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為20、2、14份,分別占總數的8.9%、0.9%、6.2%。

圖2 不同國家玉米種質對鐮孢莖腐病的抗性水平Fig.2 The resistance levels to fusarium stalk rot in maize germplasms between different countries

通過對鐮孢莖腐病連續(xù)3年的鑒定結果進行相關性分析發(fā)現,2020年與2021年、2021年與2022年、2020年與2022年不同年度間相關系數分別為-0.056、-0.230、-0.110,表明外引種質資源在不同環(huán)境下對玉米鐮孢莖腐病的抗性存在差異。綜合分析3年的鑒定數據,篩選出12份對鐮孢莖腐病抗性較好的種質,在各年抗性表達均達到中抗以上,是抗玉米鐮孢莖腐病的寶貴資源。

2.2 玉米種質鐮孢穗腐病的抗性鑒定

2020—2022年,連續(xù)3年在同一地塊人工接種玉米鐮孢穗腐病,鑒定評價225份國外的玉米種質,調查結果顯示,3年間發(fā)病充分,沒有對玉米鐮孢穗腐病表現為高抗的自交系。

2020年抗病對照X 178和感病對照B 73的發(fā)病級別分別為中抗、抗(3.8、3.2)和感、高感(7.3、8.2)。對鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為26、99、68、32份,占比分別為11.6%、44.0%、30.2%、14.2%。其中,來自美國的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為17、30、21份,分別占總數的7.6%、13.3%、9.3%;加拿大的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感的種質分別為9、16、2份,分別占總數的4.0%、7.1%、0.9%;巴西種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為10、26、6、1份,分別占總數的4.4%、11.6%、2.7%、0.4%;波蘭種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為3、16、8、5份,分別占總數的1.3%、7.1%、3.6%、2.2%;德國種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為3、9、3、4份,分別占總數的1.3%、4.0%、1.3%、1.8%;墨西哥種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為1、15、19、1份,分別占總數的0.4%、6.7%、8.4%、0.4%。

2021年抗病對照X 178和感病對照B 73的發(fā)病級別分別為抗(2.4、3.1)和高感(8.7、7.9),對鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為17、84、75、49份,占比分別為7.6%、37.3%、33.3%、21.8%。其中,來自美國的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為5、27、29、7份,分別占總數的2.2%、12.0%、12.9%、3.1%;加拿大的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為11、8、8份,分別占總數的4.9%、3.6%、3.6%;巴西的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為7、15、12、9份,分別占總數的3.1%、6.7%、5.3%、4.0%;波蘭種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為1、10、8、13份,分別占總數的0.4%、4.4%、3.6%、5.8%;德國種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為3、5、7、4份,分別占總數的1.3%、2.2%、3.1%、1.8%;墨西哥種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為1、16、11、8份,分別占總數的0.4%、7.1%、4.9%、3.6%。

圖4 不同國家玉米種質對鐮孢穗腐病的抗性水平Fig.4 The resistance levels to fusarium ear rot in maize germplasms between different countries

2022年抗病對照X 178和感病對照B 73的發(fā)病級別分別為抗(2.8、2.2)和感、高感(7.3、7.8)。對鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為20、80、78、47份,占比分別為8.9%、35.6%、34.6%、20.9%。其中,來自美國的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為14、38、11、5份,分別占總數的6.2%、16.9%、4.9%、2.2%;加拿大的種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為5、13、3、6份,分別占總數的2.2%、5.8%、1.3%、2.7%;巴西種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為10、14、19份,分別占總數的4.4%、6.2%、8.4%;波蘭種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為3、22、7份,分別占總數的1.3%、9.8%、3.1%;德國種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為中抗、感和高感的種質分別為2、10、7份,分別占總數的0.9%、4.4%、3.1%;墨西哥種質資源對玉米鐮孢穗腐病表現為抗、中抗、感和高感的種質分別為1、14、18、3份,分別占總數的0.4%、6.2%、8.0%、1.3%。

通過對鐮孢穗腐病3年鑒定結果進行相關性分析發(fā)現,2020年與2021年、2021年與2022年、2020年與2022年不同年度間相關系數分別為0.065、0.024、-0.187,表明不同環(huán)境下鑒定結果有一定的差異,說明種質資源對玉米穗腐病抗性容易受環(huán)境影響。分析3年的鑒定數據,篩選出25份對鐮孢穗腐病具有良好抗性的種質,3年的抗性評價均達到中抗以上,是不可多得的抗鐮孢穗腐病資源,將為玉米抗穗腐病育種和品種抗性改良提供重要的抗源材料。

3 結論與討論

開展玉米種質資源抗莖腐病、穗腐病人工接種鑒定與評價,定向選擇抗性種質,為抗病育種提供方向,為改良種質資源和抗性品種選育奠定基礎。以往大部分研究選取的材料均以國內種質資源為主,具有一定的局限性,且抗性評價工作大多在2年內完成,很少涉及國外種質資源3年的鑒定與評價,而玉米鐮孢莖腐病、穗腐病的發(fā)生和為害程度受環(huán)境影響很大,多年的鑒定結果更能全面地反映玉米種質資源對莖腐病、穗腐病的抗性[5,13-19]。

對225份引自國外的玉米種質進行禾谷鐮孢菌引起的兩種東北春玉米區(qū)的主要病害(鐮孢莖腐病、穗腐病)的鑒定與評價表明,12份抗鐮孢莖腐病的種質、25份抗鐮孢穗腐病種質在3年均達到中抗以上。加拿大、美國的種質在抗鐮孢莖腐病的種質中達到中抗以上占比最高,分別為4.0%、3.1%。美國、波蘭的種質在3年內對玉米鐮孢穗腐病的抗性達到中抗以上的資源各占比為1.7%。本研究篩選出的種質在不同環(huán)境條件都表現出穩(wěn)定的抗性,明確這些種質在不同環(huán)境下對鐮孢莖腐病的真實抗性水平,可高效利用抗性種質,為抗病育種奠定基礎。3年的鑒定結果表明,現今保存的225份自交系中沒有兼抗由禾谷鐮孢菌引起的莖腐病、穗腐病的種質資源,仍需繼續(xù)加強國外種質資源的引進,尤其是兼抗多種病害的高產種質資源,同時通過外引種質資源進行國內種質的改良和創(chuàng)新,最終選育高產、密植、適合機械化收割且兼具多種抗性的品種。