油菜菌核病病理与防治研究进展

冯 韬

（湖南农业大学油料作物研究所／国家油料作物改良中心湖南分中心，长沙410128）

油菜是我国最主要的栽培油料作物，油菜菌核病一直是威胁我国油菜生产的第一大病害，解决油菜菌核病威胁对保障油菜生产至关重要［1］。油菜菌核病是由子囊菌亚门盘菌纲柔膜菌目核盘菌科核盘菌属的核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum（Lib.）de Bary）所引起的一种真菌病害［2］。核盘菌强大的致病能力，对各种环境的高度适应性给菌核病防控带来极大挑战，弄清楚菌核病的病理机制是解决其威胁的根本方法，对菌核病病理研究一直是科研热点和难点。而面对油菜菌核病的巨大危害，采用合适的技术手段防止菌核病灾害的大面积发生是生产上的必然选择。

1 油菜菌核病病理

核盘菌主要由菌丝通过伤口、自然孔口等薄弱部位侵入寄主，在寄主细胞间扩布，并分泌大量水解酶及毒素使病部软化腐烂，引发油菜菌核病；在营养条件允许的情况下，可通过子囊孢子形成附着胞的方式进入寄主。Debary［3］发现，只有将核盘菌子囊孢子放在加有营养物质的寄主表面才能萌发产生菌丝和侵入寄主。

1.1 油菜菌核病生理病理

多种水解酶、草酸等毒素被证明与核盘菌致病性紧密相关，它们依次瓦解宿主细胞壁等防卫体系、抑制宿主抗性反应，达成侵染目的。

1.1.1 水解酶

细胞壁是植物重要的物理性防御屏障，在抵御真菌的过程中起着重要作用［4］。核盘菌通过分泌纤维素酶、果胶酶等水解酶瓦解宿主细胞壁对于其成功侵染寄主具有决定性作用。纤维素酶是一类葡聚糖酶的总称，主要有外、内切β－葡聚糖酶、β－葡萄糖苷酶等，内、外切纤维素酶通过催化纤维素分子链的β－1，4－糖苷键水解来解聚纤维素链［5］，进而造成宿主细胞壁因纤维素连接断裂而解体。果胶酶是能水解果胶质的一类酶的总称，其中多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonases，PG）在真菌致病中研究较多。PG分为内切（endo PG）和外切（exo PG）两种，能降解植物细胞壁中同源半乳糖聚糖，断裂α－1，4－连接的D－半乳糖醛酸或半乳糖醛酸和鼠李糖残基，进而造成植物细胞壁降解［6］。Zafer等［7］通过含有PG抑制蛋白基因的转基因油菜研究发现，抑制PG能有效延迟菌核病的发病，反向证实了PG在菌核病致病过程中的重要作用。核盘菌通过多种水解酶裂解宿主细胞壁，造成宿主感染区细胞解体，内容物渗出形成营养丰富的腐殖营养基为后续的菌丝生长、扩布提供丰富的养分，这可能是核盘菌完成定植的先决条件。

1.1.2 草酸

早在19世纪，Debary［3］就认为草酸是核盘菌侵染成功必不可少的。20世纪70年代，学术界陆续在核盘菌感染的各种作物中检测出草酸的存在，并证实在侵染过程中草酸不可或缺［8，9］。Pascale等［10］、Godoy等［11］研究发现，核盘菌侵染过程中分泌的草酸可以调节宿主内环境pH值并影响水解酶活性甚至会影响水解酶基因表达，在病程中表现为一个高效的致病因子。刘胜毅等［12］在易感菌核病油菜中成功转入草酸氧化酶基因，该转基因油菜对菌核病抗性显著提升，这也从侧面证实草酸在菌核病病程中的重要作用。Stephen等［13］研究草酸在菌核病病程中的机制发现，草酸可以抑制宿主氧爆发为代表的防卫反应，但这种功能会受到Ca2＋的调节。90年代后发现草酸可以作为一种重要的非生物激发因子刺激宿主产生抗性反应［14，15］。Williams等［16］研究显示，草酸能控制宿主内环境的氧化还原水平，从而控制宿主抗性反应，在侵染初期，分泌高浓度的草酸，形成高度还原性环境抑制宿主氧爆发防止宿主感染区域的细胞程序性死亡，随着侵染的加深，草酸造成的环境还原性迅速降低，促使宿主发生氧爆发，诱发宿主氧爆发区域细胞程序性死亡，形成大面积腐殖质，从而有利于核盘菌扩布。Mehid等［17］研究发现，草酸能抑制宿主细胞自噬并促进宿主细胞的非程序性死亡，调节宿主整体的细胞凋亡状态，达到干预宿主抗性反应的目的。这些研究在一定程度上解释了草酸为何能成为一种激发因子诱发宿主抗性反应。总体上，现有的研究结果表明，草酸在菌核病病害过程中主要有以下作用：降低宿主内源pH值影响各水解酶、光合酶活性；草酸钙形成结晶堵塞宿主导管等运输通道；螯合宿主膜性器官上的离子，改变寄主细胞膜透性，引起电解质丧失，破坏叶绿体结构；改变宿主内环境的氧化还原状态来调节宿主的防卫反应。

1.2 核盘菌与寄主互作机制

核盘菌通过分泌水解酶与毒素的方式侵入宿主并完成定植，但这仍无法解释其高效的致病能力，核盘菌与宿主如何互作被用来解释这种强大的致病能力，并成为当下研究的热点。

1.2.1 信号通路

病原—宿主互作中，信号产生、传导与反馈一直是病害病理、宿主抗性机制中最重要的组成部分。MPK激酶在植物抗病中发挥着重要的信使作用［18］。刘胜毅［19］等人通过在油菜中过表达 MPK4增强了对菌核病抗性，表明MPK激酶是诱导油菜抗性的重要信号。Chen等［20，21］较系统研究了菌核病病程中MAPK信号通路，发现cAMP可以影响菌核形成，Ras／MAPK信号通路直接调控菌核发育。Henrik等［22］研究显示，拟南芥对核盘菌的抗性通路是茉莉酸依赖型的，而茉莉酸受体COL1并非必须的，茉莉酸在菌核病与宿主互作中可能并非唯一通路，而对于整个抗性反应调动却是不可或缺的。Shi等［23］对油菜菌核病的信号传递研究显示，核盘菌顺序激活油菜水杨酸、茉莉酸通路完成信号传导与宿主反馈，在核盘菌侵染油菜12 h之内水杨酸途径被激活，24 h之后茉莉酸途径被激活，在此过程中两种信号途径依次开启并相互影响。也有其他研究发现 Ca2＋能调节草酸对宿主防卫的抑制作用［13，24］，这可能与Ca2＋能影响钙调蛋白激酶等信号调节蛋白的活性而影响信号转导相关联，但目前为止并未得到直接证实。核盘菌—油菜互作的过程中，由核盘菌造成的宿主pH值下调等生物信号直接影响蛋白激酶磷酸化诱发MAPK级联反应，进而影响相应基因表达，程序性进入水杨酸与茉莉酸信号途径，诱导、控制油菜的抗性反应，但这些信号通路的分子机制并不清楚，相关的调控因子仍待发现和研究。

1.2.2 系统获得性抗性

植物面对真菌病害只能被动的应对，漫长的进化过程中植物发展出了很多有效的免疫与生化防御手段［25］，其中系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）就是植物用来抵御非特定的真菌病害的一种重要手段。目前为止没有发现油菜菌核病的有效抗原，有理由相信油菜对菌核病的抗性很大程度上来源于这种非特异的防御能力。植物体受病原侵害时，病原物无毒基因（avirulence gene，Avr）触发的免疫（effector－triggered immunity，ETI）在局部发生，随后ETI能引起受害植物整体产生一定抗性反应即SAR。SAR与水杨酸、茉莉酸有密切关联。在SAR中病程相关基因非表达子1（non－expresser of PR1，NPR1）起核心调控作用，ETI导致的氧爆发造成植物内环境强烈的还原势使得NPR1寡聚蛋白还原成单体，该蛋白单体积累诱导水杨酸介导的SAR发生，同时NPR1是水杨酸、乙烯和茉莉酸介导的抗病信号传导途径的节点，这些信号传导途径的强弱可通过NPR1这个节点来协调和平衡［26～29］。另外有研究显示，转录因子WRKY70与NPR1有相似的功能，也是植物抗病反应中水杨酸、茉莉酸途径的关键节点［30］。对于油菜菌核病病程中油菜SAR的研究并不多，各种病程相关蛋白（pathogenesis related protein，PR）基因表达的调控等方面的研究都还是空白。SAR的研究对于弄清楚油菜对菌核病耐受性或者抗性来源有广阔的前景。

2 油菜菌核病防治

2.1 耕作与化学防治

到目前为止油菜菌核病并未得到根治，生产上仍然是通过科学的农业措施，辅以药剂防治的综合策略来防治菌核病。选种抗（耐）菌核病油菜、播种前对种子进行除菌处理、与水稻、小麦等作物充分轮作、重施基肥、充分补充磷钾肥防止倒伏、适当晚播、抽薹期培土、油菜收获后深耕等措施能有效预防菌核病爆发；药剂防治上常在油菜盛花期使用菌核净、多菌灵、甲基硫菌灵、速克灵等控制菌核病［31］。

研究化学防治剂对核盘菌的灭杀机制是目前的热点之一。如有人发现，嘧菌酯与速克灵通过干预交替氧化酶的功能影响核盘菌生长发育与菌核形成，达到拮抗、杀灭核盘菌的目的［32，33］。在新药剂开发利用方面也有诸多突破。Shen等［34］研究了多种氮取代－二甲基马来酰亚胺的人工合成以及对核盘菌的抑制作用，发现这些合成的化合物可以用在生产上防控菌核病。另一方面，新的核盘菌生理机制发现为新的药剂研发提供了很多新的思路，例如研究发现核盘菌的多胺生物合成对其生长发育至关重要，而一些腐胺类似物可以干扰核盘菌的多胺生物合成而抑制其生长，为新型生物胺抗核盘菌药剂研发提供了理论支持［35，36］。

2.2 生物防治

由于菌核病危害巨大，防治菌核病的化学防治剂多数成本较高，对环境危害性也较大，低利润率的油菜生产大量使用化学防治显得很困难。为了解决防控菌核病与高成本、高风险的矛盾，新兴的生物防治在菌核病防控上崭露头角。目前已发现了大量核盘菌生防菌种，其中枯草芽孢杆菌、盾壳霉、木霉等备受瞩目［37～41］。这些生防菌联合作用时通过与宿主互作激活宿主氧化应激反应等诱导系统抗性来拮抗菌核病，多具有协同效果［42］。谢俊［43］、于晓等［44］发现，核盘菌突变株EP－1PN含有的特殊的真菌病毒能有效降低核盘菌致病能力，在生物防治菌核病上有很大潜力。Khalifa等［45］研究了3种核盘菌线粒体病毒的分子特性，发现这些病毒都属dsRNAs，并能有效控制核盘菌。

植物次生代谢产物等天然生物提取物在防治菌核病上也表现出极大的潜力，先后从燕麦草、板状海绵、苦楝树等物种中获得大量拮抗病原真菌的天然产物［46～48］，其中大多数对菌核病有很好的防控效果。总体来看，生物防治作为一种新兴技术有很大的潜力，其在油菜菌核病的防治中也发挥着越来越重要的作用。

3 展望

油菜菌核病是当前我国保障油菜生产的最大障碍，为了保证油菜生产，应从生产和科研方面着手控制油菜菌核病病害并逐步解决菌核病的威胁。

生产上，必须加大推广各种科学防控油菜菌核病的手段，合理使用不同的药剂和耕作方法，最大限度降低菌核病的危害。散户是我国油菜生产的主力，由于油菜生产是一个较低利润的行业，各散户并不注重病害防治，疏于管理是菌核病经常大规模爆发的原因之一。因此加大在各大油菜产区的科技帮扶力度，提高农民对油菜菌核病危害的认识，将非常有利于防控菌核病各项工作的展开。

选育和利用高抗菌核病的油菜品种是对抗菌核病最有效的手段之一。自然界不乏有对菌核病高抗性的芸薹属植物，在油菜的抗菌核病育种上可以充分利用这些宝贵的种质资源，一方面加强对潜在种质资源的发现，另一方面对已经发现的资源进行更深的挖掘。

菌核病的病理一直是油菜抗菌核病育种遭遇的最大障碍之一，从生理、生化、分子机制等多角度阐明菌核病的病理机制是攻克菌核病需要解决的首要问题。这需要更全面的了解核盘菌各种酶和毒素的合成以及在病程中的作用，揭示核盘菌与油菜等宿主互作的机制，解释核盘菌如何抑制油菜发生SAR在内的各种抗性反应。而油菜等宿主的次生代谢与菌核病等病害之间的关联也是一个新的研究方向，植物次生代谢产生的各种植物毒素在抗菌核病中的作用机制以及植物毒素合成相关的基因的表达都是油菜抗菌核病育种的重要理论依据。

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