黄瓜枯萎病研究进展

徐彦刚 贺振 李瑞 李良俊

摘 要： 枯萎病是危害黄瓜生产过程中最主要的病害之一，严重影响其产量和品质。目前，生产上的防治方法以化学防控为主，易造成枯萎病菌产生抗药性、生态环境破坏、产品质量下降等诸多问题。深入了解黄瓜枯萎病的发病机制及植株的抗病机制，选择合理科学的防控措施可显著降低或抑制枯萎病的发生。分析国内外该领域的研究现状，笔者对黄瓜枯萎病的发病症状、病原菌特性、致病机制、抗病机制及其综合防治进行了总结，并概述了通过生物防治进行防控的机制及研究成果，以期为今后黄瓜枯萎病的抗性育种及科学防控提供理论依据和技术指导。

关键词： 黄瓜； 枯萎病； 致病机制； 抗病机制； 综合防治

Abstract： Cucumber Fusarium wilt disease is one of the most important diseases in the process of cucumber production， which seriously affects its yield and quality. Presently， chemical pesticides are mainly used to control the spread of cucumber wilt disease， however this method probably induce many problems including increased Fusarium oxysporum resistance to pesticides， ecological damage， the decline quality of cucumber product and others. Understand the pathogenesis of cucumber wilt disease and the resistance mechanism of plants， then selecting reasonable scientific prevention measures is significantly reduces or inhibits the wilt disease of cucumber. According to this field about domestic and overseas studies analysis， the research progress of cucumber wilt disease in aspect of symptoms， pathogens， pathogenesis， resistance mechanism and control methods were reviewed， and the mechanism and research results of biological control were summarized， to provide theoretical basis for breeding and integrated control of Fusarium wilt resistance in cucumbers.

Key words： Cucumber； Fusarium wilt disease； Pathogenicity mechanism； Resistance mechanism； Integrated management

黄瓜（Cucumis sativus L.）是世界十大蔬菜栽培作物之一，在蔬菜的生产和供应中具有重要地位。由于该类蔬菜具有周年生产的特点，生产过程中病虫基数逐年积累导致病虫危害日益严重，而黄瓜枯萎病（Cucumber Fusarium wilt）等真菌性土传病害对黄瓜的危害尤为突出。黄瓜枯萎病菌阻碍了植株的水分传输进而导致植株萎蔫枯死，该病害具有爆发性强、破坏力大、防控性难的特征，严重影响我国日光温室、塑料大棚等不同栽培条件下黄瓜的产量和品质，一般可致黄瓜减产15%～25%，严重时达50%以上[1]。笔者对黄瓜枯萎病的危害症状、发病机制、遗传与育种及防治措施进行总结，以便为黄瓜枯萎病抗性育种和综合防控提供理论依据和技术指导。

1 黄瓜枯萎病的发生及危害症状

黄瓜枯萎病是一种危害性极强的世界性土传病害，造成该种蔬菜枯萎病发生的病原菌为无性菌類镰孢属尖孢镰刀菌黄瓜专化型（Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum），有4个生理小种，分别为美国小种1号、以色列小种2号、日本小种3号和中国小种4号[2]，我国普遍流行的为生理小种4号，且呈全国性分布，为我国黄瓜枯萎病的优势小种。该生理小种采用‘MSU8519‘MSU44134‘PI390265进行鉴定时表现为明显的“抗”-“抗”-“感”。黄瓜枯萎病在黄瓜整个生育期皆可发生，尤以开花结果期最为突出。植株未出苗前被病原菌侵染易造成后期烂秧，出土后幼苗的子叶以及幼叶变黄萎蔫，茎基部变褐呈水渍状缢缩并猝倒死亡。成株期植株染病后，初期根茎处一部分叶片在中午萎蔫，早晚可恢复，后期萎蔫叶片从近地面向顶端逐渐延伸遍及全株且萎蔫症状不再恢复。病株茎基部常缢缩，表皮纵裂，茎部和节间具有黄褐色斑，且常有琥珀色胶质物流出，湿度大时，病部产生白色或粉色霉状物，病株易被拔出，其病部纵切，可见维管束呈黄褐色[3]。

2 黄瓜枯萎病致病机制

2.1 致病机制

黄瓜枯萎病主要侵害黄瓜茎部维管束，而病原菌通常从根毛或根部伤口侵入植株，其蔓延时会加速植株整株死亡。在致病机制研究中，存在导管束阻塞假说和致病毒素假说2种不同机制。导管束阻塞假说认为，侵入导管内的病原菌生长发育进而阻碍水分流动是造成植物枯萎的主要原因[4]，病原菌侵入后分泌的果胶酶、纤维素酶和β-葡萄糖苷酶等降解细胞壁，使细胞内侵填体、果胶以及胶状物质堵塞导管致使植物上部枯萎，在此侵染过程中不仅消除了病菌入侵植株的第一道防线——细胞壁，而且细胞内多糖物质的释放为病原菌的生长发育提供营养保障[5]，加速病菌的生长繁殖及入侵，进一步促进了植株死亡。毒素假说认为，病原菌产生的镰刀菌酸（Fusaric acid）、单端孢霉毒素（Trichothecenes）、串珠镰刀菌素（Moniliformin）、玉米赤霉烯酮（Zearalenone）、伏马菌素（Fumonisin）、白僵菌素（Beauverin）、麦角固醇（Ergosterol）等[6-7]对质膜的伤害是造成植株病害的最主要原因，其中病原菌产生的镰刀菌酸是引起多种植物萎蔫的一种非特异性毒素，它通过破坏根系的膜系统造成植物生长代谢紊乱，致使植株水分代谢失调，进而造成植株上部急剧缺水而萎蔫枯死[8-9]。因此，在抗枯萎病品种选育中，镰刀菌素可以作为一个重要的压力选择因素以鉴别其品种抗性[10]。

2.2 致病相关因子

尖孢镰刀菌基因组富含转座子及与致病相关的种系特异性（Lineage-Specific）区域，通常含有该区域的不同菌株可以发生染色体的水平转移，使非致病性的菌株具有致病性，从而导致该病原菌出现寄主专化型和生理小种[11-12]。同时，该病原菌具有致病力强、分布范围广的特征，不仅可以在寄主植物中存活，而且在空气和土壤中存活10年后仍具有极强的致病性[13]。而尖孢镰刀菌基因组测序的完成，为深入研究该病原菌基因功能及致病机制奠定了理论基础[14-15]。当病原菌侵染寄主植物时，通常根据寄主植物特点进行自身代谢、蛋白质分泌等生理途径的调整，以便能够更好识别和入侵寄主植物，而通过阻碍病原菌信号传导及正常代谢是防治该类病害的最有效途径之一。

目前，通过T-DNA构建突变体库、基因敲除及基因回补等多项技术，已发掘多种关于尖孢镰刀菌摧毁宿主防御系统的降解酶、调整自身对寄主识别与侵入的信号传导系统、克服寄主防御系统响应及代谢的毒素等致病因子的基因。其中抑制寄主生长代谢及克服其防御系统的基因如编码降解植物细胞壁纤维素的β-1，3-葡聚糖酶基因FOR3[16]，该基因编码合成的β-1，3-葡聚糖酶可直接分解植物细胞壁促使病原菌的进一步侵入；对病原菌生长代谢及蛋白分泌等信号调控的促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）基因FMK1[17]，由于病原菌对寄主植物识别及入侵是在信号传导系统指令下完成的自身调整，而环腺苷酸单磷酸-蛋白激酶A（cAMP-PKA）和促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）为2个已知的信号调控途径，其中cAMP/PKA途径调控孢子的形成，MAPK途径调控细胞的生长延伸，二者共同控制尖孢镰刀菌的侵染[18]；具有调控分生孢子形成和致病性的基因FOPLC4[19]，采用敲除突变体△FOPLC4侵染宿主植物发现其造成枯萎病发病率及自身产孢量明显降低。调控基因表达的转录因子如GATA，由于该转录因子能够识别所需调控基因启动子的共有序列5′-（T/A）HGATA（A/G）-3′进而调控基因的表达，最终调控病原菌对环境的适应和定殖[20]；转录因子FoSte12通过调控促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）途径下游基因FMK1从而调控病原菌的侵染及生长[21]。

3 黄瓜枯萎病抗病机制

3.1 抗病机制

寄主植物在抵御病原菌侵染时，可能是通过物理阻碍或化学物质抑制病原菌以及二者共同作用[22]。其中抗病材料与原始感病品种在病原菌侵染时组织结构和生理生化方面存在差异，对抗病机制研究及抗病品种选育有重要的意义。在黄瓜抗枯萎病品种上，抗病较感病品种组织结构上更有利于阻止病原菌的侵染和扩散[23-25]，当病原菌从黄瓜植株的根毛或根部伤口侵入植株后，抗病品种较迅速地表现出细胞壁加厚，导管内生成大量褐色物及侵填体，且导管壁相继出现覆盖物等，而感病品种仅产生细胞壁加厚及胼胝体或较迟缓地生成褐色物及导管壁覆盖物，这说明抗病品种能更早地形成保卫反应[26-27]。而病原菌侵入黄瓜植株体内所激发的生理生化反应是其抗病特性的重要基础，这一系列反应是以酶的催化而实现的。当病原菌侵入植株时会破坏黄瓜体内活性氧代谢平衡，致使活性氧含量升高而破坏细胞膜系统，邹芳斌等[28]研究发现，具有消除活性氧伤害的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）以及与植株合成抗菌素和木质素等增强其抗性的次生代谢产物合成有关的多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸转氨酶（PAL）的活性与其抗性呈显著正相关。

3.2 抗性遗传规律

黄瓜抗病育种中，对抗枯萎病遗传规律的研究及运用决定了抗病育种水平的高低。众多研究表明，黄瓜基因资源中存在抗枯萎病基因[29]，且遗传抗性呈现多种特点。Netzer等[30]通过选用抗病品种‘WIS-248与感病品种杂交，F1表现为抗性，F2分离表现型为抗病∶感病=3∶1，F1与感病亲本回交，分离性状表现为抗病∶感病=1∶1，又根据其世代表现型分析认为黄瓜枯萎病抗性为单显性基因控制；王亚娟[31]采用抗病品种Q9和感病品种Q10杂交及二者的杂交回交世代进行遗传分析，认为其抗性为单隐性基因控制；侯安福等[32]利用不同抗性水平的黄瓜品种或品系进行杂交组合，根据F1、F2和BC2的抗病性表现，发现其抗性为完全或部分显性，且由4对基因控制并受细胞质的影响；韩旭等[33]采用抗病品种‘安浓二号和感病品种‘四叶进行杂交及杂交回交世代进行遗传分析，认为其抗性是部分隐性基因控制；李新等[34]研究认为，抗病对感病为部分显性基因控制，且抗病亲本作为母本的杂交后代F1的抗性高于感病亲本作为母本的，其抗性由6对基因控制并受细胞质影响。造成上述不同结论产生的原因可能是其各自研究所采用的黄瓜品种和致病菌不同，不同黄瓜品种之间抗病性存在较大差异，而且不同致病菌的致病能力也存在着较大的差异，同时在抗病鉴定方法与分级标准方面也存在着较大的差异[35]。若黄瓜枯萎病抗性为多基因控制的数量性状遗传，则受环境影响较大，直接对表现型进行选择效率较低，所以可通过采用分子标记来判断目标基因的存在。

近年来，随着生物育种技术的快速发展，逐渐将现代分子生物學和传统遗传育种相结合，准确选择和有效分离目标性状进行精确育种，可借助分子标记从DNA分子水平上对育种材料进行筛选，但我国缺乏黄瓜抗枯萎病种质并且栽培品种大部分表现出感病[36]。而我国在优质种质资源引入、野生种质或近源种质资源发掘、新种质材料的创制方面都取得较快发展，并通过利用AFLP、SCAR、RAPD、SSR等分子标记对黄瓜抗枯萎病性状相关基因进行检测、定位和跟踪，减少黄瓜抗枯萎病品种选育的盲目性。如张海霞[37]对黄瓜抗病品种‘WIS2757和感病品种‘津研2号进行杂交，采用RAPD技术与BSA法相结合，筛选出与黄瓜抗枯萎病基因相互连锁的RAPD标记，奠定了黄瓜抗枯萎病分子标记辅助育种的理论基础；王亚娟[31]利用分子标记获得了关于黄瓜抗枯萎病基因连锁的AFLP标记（E25M70-170 bp/167 bp）和SSR标记（CSWCT06A），确定了这2个标记基因的遗传距离分别为8.12 cM和5.98 cM。

4 黄瓜枯萎病的防治方法

4.1 选育抗病品种

选育抗病性品种是防治黄瓜枯萎病最为经济有效的措施。近年来，我国先后育成了具有抗枯萎病、耐热性的露地品種‘津春4号‘中农38号‘津优40号‘津优406‘津优409‘京研夏美等；还有适宜耐低温及弱光的抗枯萎病温室品种‘津优35号‘中农32号‘唐杂8号‘济优12号等，这些品种不仅具有抗枯萎病，而且具有抗其他病害的特性，更具有良好的结果特性。但在抗性品种的选育中同时也受到诸多因素的制约，首先是种质资源相对缺乏，抗枯萎病的资源更为匮乏，收集和筛选较为困难，严重制约抗病品种的选育；其次，新品种选育所需时间较长，且由于病原菌有多种生理小种易发生基因组水平转移而出现新的生理小种，导致抗病性品种在短期内抗性丧失；此外，黄瓜枯萎病的抗性遗传较为复杂，在抗性利用上具有一定的难度，而且当抗病性为多基因控制的数量性状遗传时，其抗性水平易受环境因素的影响，致使抗病品种在黄瓜枯萎病防治上存在一定的局限性[38-39]。

4.2 换土防治

病原菌通常以厚垣孢子、菌丝体或菌核在土壤及病株残体上进行越冬，待翌年条件适宜时再次侵染植株。而在设施栽培条件下，黄瓜复种指数极高造成了土壤病原菌积累增加，有研究表明当其数量达到1×103以上时[40]，即有可能导致黄瓜枯萎病的发生。作物连续重茬时，其根系分泌的同种物质破坏了土壤微生物的平衡及改变了苯甲酸、苯丙烯酸、对羟基苯甲酸等化感物质的种类和数量，不仅造成植物本身受到伤害，致使其新陈代谢及抗逆性减弱，而且促使病原菌生长，造成植株发病率升高[41-42]。因此，作物收获后应及时清理农田病株残体，进行田外集中深埋或烧毁，选用无病害土壤育苗及改换土壤栽培。

4.3 嫁接防治

黄瓜枯萎病病原菌的高度专化型使该菌对其他瓜类具有轻度侵染或不侵染的特性，所以采用抗病砧木嫁接可有效克服连作障碍及防御黄瓜枯萎病的发生，在砧木嫁接过程中抗病砧木的选择是防治黄瓜枯萎病成败的决定因子。目前，我国黄瓜嫁接采用的砧木主要为黑籽南瓜，其与黄瓜有较高的生理亲和性，具有嫁接成活率高、嫁接后产量高、抗枯萎病效果好等诸多优点[43]。虽然采用嫁接技术防治枯萎病效果显著，但却存在嫁接技术难度高、田间管理难度大以及果实品质下降等诸多因素限制。

4.4 化学防治

在播种或定植前用50%多菌灵可湿性粉剂、70%甲基硫菌灵可湿性粉剂、25%烯肟菌酯等化学药剂对土壤进行消毒处理，并采用温汤浸种、药液浸种（50%多菌灵可湿性粉剂1 000倍液、70%甲基硫菌灵可湿性粉剂500倍液等）或种衣剂对种子进行处理，杀死种子表面病原菌的菌丝、孢子等，可以最大限度减少初侵染源从而防治病害的发生。发病初期用农抗120水剂200倍液、苯菌灵可湿性粉剂1 000倍液、70%甲基硫菌灵800倍液、40%双效灵水剂800倍液、50%多菌灵500倍液等药剂喷洒病株或灌根，可有效控制枯萎病的蔓延。如果是日光温室或塑料大棚等设施栽培，可在播种前采用2～6 g·m-2的硫磺粉熏蒸或喷释50 mL·m-2的福尔马林进行闷棚处理，以减少设施环境中的病原菌。虽然化学防治具有高效快速、使用方便、不受地域和季节限制等优点，但不合理使用化学药剂易产生诸多环境问题及病原菌抗药性，所以应注意合理规范施用化学药剂。

4.5 生物防治

当黄瓜感染枯萎病后，其根际不仅具有致病菌，而且还存在其他微生物种类。这些庞大的微生物种群中存在非致病性、弱致病性尖孢镰刀菌及对尖孢镰刀菌生长代谢形成不利因素的其他微生物，而这些拮抗微生物主要通过削弱病原菌致病力或降低其密度从而达到降低枯萎病的发生。随着近些年人们对蔬菜品质和安全性提出更高的追求，利用植物根系分泌、茎叶淋洗、根茬腐解及微生物代谢等途径向环境中释放化感物质进行防治[44-45]，以阻碍菌丝生长、抑制孢子萌发及破坏菌体细胞膜从而降低该病害发生[46]，不会造成农药残留等环境污染问题，更加符合现代农业发展的思路。

在利用植物化感作用防治时，一般通过作物间作、轮作、套作、混作、前后茬搭配等栽培方式进行调控。如大蒜与黄瓜的套作[47]、洋葱与黄瓜间作[48]、黄瓜和莴苣间作[49]、旱稻和西瓜轮作[50]等不同的栽培模式对枯萎病防治具有显著作用。此外，利用大豆、小麦和燕麦的残株渗透液[51]、孜然种子提取液[52]及西芹鲜根浸提液、挥发物[53-54]可以有效抑制病原菌的生长。生防菌主要通过竞争、拮抗、寄生、捕食及诱导植物抗性等机制防治病害发生，而黄瓜枯萎病生防菌防治研究中以竞争、拮抗和诱导植物抗性为主。Yang[55]和Lanubile [56]通过利用非致病性、弱致病性尖孢镰刀菌对植株产生交叉保护作用，诱导植株产生防御措施阻碍病原菌再次侵入从而降低植株发病率。

生防真菌有哈茨木霉菌（Trichoderma harzianum）、绿色木霉菌（Trichoderma viride）、丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhiza）等。哈茨木霉菌通过诱导植物产生防御反应及分泌细胞壁降解酶破坏病原菌结构而防治病害发生[57]，如以色列公司开发的哈茨木霉T39可湿性粉剂、美国公司开发的哈茨木霉T22制剂Topshield和西班牙Monte开发的哈茨木霉混合制剂TUSAL均取得明显的防治效果；丛枝菌根真菌不仅通过共生体促进植物生长代谢提高植株抗逆性，而且在营养和侵染位点上与病原菌发生竞争作用从而抑制枯萎病的发生[58]，如刘东岳等[59]通过应用丛枝菌根真菌和根围促生细菌合成的生防菌剂可使黄瓜枯萎病病情指数下降58.4%；绿色木霉菌与病原菌发生位点、营养竞争阻碍病原菌生长代谢，产生几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶和蛋白酶降解病原菌细胞壁[60]，如新西兰开发的木霉制剂Trichoflow、中国开发的绿色木霉制剂特立克和俄罗斯Kolombet研制的木霉制剂Myco1在田间防治上均取得显著效果。生防细菌有假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和大肠杆菌（Escherichia coli）等，其防治机制主要通过与病原菌竞争营养物质、形成拮抗作用及促进植物生长提高抗逆性，如假单胞菌和枯草芽孢杆菌对黄瓜枯萎病的防治分别达到67.5%和73.6%[61-62]。多数放线菌可以依靠代谢产生抗生素等次级产物干扰病原菌生长代谢，一些放线菌还具有促进黄瓜生长发育，增加黄瓜产量的作用[63-64]。

5 展 望

黄瓜枯萎病抗性遗传规律的不确定性及遗传变异基础的相对狭窄，致使黄瓜抗病品种选育受到严重制约，而采用分子标记辅助选择技术不受环境因素和其他基因型的影响而得到快速发展，但相对水稻、小麦、棉花等大田作物的研究相对滞后。在水稻抗病遗传方面，抗性遗传的主效基因不仅被发掘、定位与克隆，而且有关控制病斑大小和病斑数量的部分抗性QTL位点也被定位，以及高密度遗传图谱的构建致使其在抗病品种的选育上向着精确高效的方向转变，且随着广谱性单基因抗病品种的种植而导致病原小种加速变异的情况下，具有增强抗性、拓宽抗谱及延缓品种抗性的聚合育种得到快速发展，而这些研究成果为未来黄瓜抗枯萎病品种的选育提供了理论基础及研究方向。

在黄瓜枯萎病的防治上，其发展方向趋向低毒、低残留及绿色生态型发展。生物防治被大量研发与关注，却存在防治见效慢、受外界环境影响大、防治持久性差以及非致病菌易在外界条件作用下转变为致病菌等问题而严重制约其推广与发展。在利用植物化感作用防治时，只关注其防治效果而对防治机制研究甚少，所以可以通过基因组学、蛋白组学等方法，深入揭示枯萎病防治中化感作用对植株光合作用、营养吸收与代谢、植株病程相关基因表达与蛋白合成及活性的影响。利用化感作用进行防治时会激起受体产生一系列的联机反应，从而引起基因表达的改变，作为基因表达产物及生物功能直接体现者的蛋白质就会因基因的调控出现表达差异，所以可通过蛋白质的定性、定量检测来探索其表达模式及互作关系，为植物化感作用防治枯萎病的研究及利用积累理论基础。

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