玉米灰斑病抗性种质与基因位点的研究进展

谭 静， 罗 吉， 孙彩梅， 王文瑞

(云南大学农学院， 昆明 650500)

玉米(ZeaMaysL.)是重要的粮、经、饲兼用作物，自1998年以后产量超过水稻，跃居全球第一大作物。病害是限制玉米生产的一个主要因素，其中灰斑病是影响我国东北、华中、西南三大玉米产区的重要病害[1]。玉米灰斑病是一种真菌性叶部病害，主要危害叶片，也侵染叶鞘和苞叶，严重发生使叶片枯死、茎秆腐烂和倒伏，并最终导致减产[2]。该病最早于1925年在美国伊利诺斯州发现[3]，目前已遍布美国玉米带和亚洲、非洲、南美的许多国家[4-8]。灰斑病在我国最早于1991年在辽宁丹东地区发生[9]，目前已蔓延至全国各玉米产区，产量损失一般在5%～30%之间，严重时可达60%以上，甚至绝收[10-12]。在西南高海拔玉米种植区，灰斑病发生更为普遍，危害也更加严重，已成为该地区玉米生产的最重要病害[13-16]。

1 病原菌分化

自1925年玉米灰斑病被首次发现报道，其病原菌一直被认为是玉蜀黍尾孢菌(Cercosporazeae-maydis)[3]，直到2006年玉米尾孢菌(Cercosporazeina)被发现[17]。至今全球已报道玉米灰斑病的致病菌共有4个种：玉蜀黍尾孢菌，全球玉米灰斑病的主要致病菌；玉米尾孢菌，美国东部和非洲南部、东部等地区有报道；高粱尾孢菌玉米变种(Cercosporasorghivar. maydis)，目前仅见美国和肯尼亚；另有1个还未确定学名[4,16-20]。其中玉蜀黍尾孢菌和玉米尾孢菌这2个种报道较多，它们在形态上非常相似，但生长特性和分子特征有明显差异[16-17]；而且在生态适应性和寄主适合度方面也存在差异，前者主要分布在美国温度偏高、湿度较低的中部地区，后者主要分布在美国温度偏低、湿度较高的东部地区；虽然2个种内各自菌株间存在差异，但2个种之间在致病性、侵袭力和毒力方面并未表现出显著不同[20]。

在国内，至今报道引起玉米灰斑病的病原菌只有2个种：1991年在丹东发现的首例玉米灰斑病的病原菌为玉蜀黍尾孢菌[21]，这是国内大部分玉米产区灰斑病的致病菌；直到2013年在西南地区首次发现并报道了玉米尾孢菌[16,22]。刘庆奎等[16]从国内不同地区采集的玉米灰斑病病样中分离获得的菌株，经过鉴定确认其中65个菌株为玉蜀黍尾孢菌、71个菌株为玉米尾孢菌，前者是北方地区玉米灰斑病的唯一致病种，而后者是西南地区玉米灰斑病的主要致病种。刘可杰等[23]比较了这2种致病菌的生物学特性，发现玉米尾孢菌的分生孢子萌发要求较低的温度和偏碱性的条件，说明玉米尾孢菌的分布范围要比玉蜀黍尾孢菌窄。由于玉米尾孢菌灰斑病发现得较晚，国内有关它的系统研究还较少。

2 抗性种质鉴定

玉米灰斑病一般采用人工接种和自然发病的方法进行抗性鉴定，其中人工接种常用的方法有喷雾法、灌心法及注射法[24]。实践表明，玉米9～11叶期为灰斑病的最佳接种时期，接种前进行田间浇灌有利于病菌侵染和病害发展[24-27]。病情评价在玉米乳熟期进行，主要调查接种部位的上、下叶片，具体又可分为病害发生率和发病严重度等不同的调查方法[27]，实际应用中一般采用我国病害鉴定通用的叶斑病病级划分标准[25,28]。对玉米种质进行灰斑病抗性鉴定时，不仅要注意方法的选择，而且还要注意评价次数和时间的选择，同时一个适合鉴定的环境也是很关键的[24]。但玉米灰斑病的病原菌人工培养较难以及发病要求的环境较难控制，因此利用重病区的自然发病也是灰斑病抗性鉴定的有效途径。

玉米丰富多样的遗传基础为直接筛选获得抗灰斑病种质提供了可能。吴纪昌等[21]对包含915份自交系共1 448份玉米种质进行了灰斑病抗性鉴定，发现具有热带或者亚热带血缘的玉米种质具有良好的抗病性；抗病系丹黄19、沈137等配出的杂交组合基本都表现出极好的抗病性，且杂交种的抗病性介于双亲之间并更靠近抗病性强的亲本。徐秀德等通过人工接种的方法对20份玉米自交系进行了灰斑病抗性鉴定，发现Y 078、丹黄25、Y 062等表现高抗，沈137、丹黄34、齐319、高3等表现抗病或中抗[24]。董怀玉[25]等利用人工接种的方式对472份玉米种质进行鉴定，筛选出6份高抗自交系，但未发现高抗杂交种。吕香玲等[29]利用40份玉米自交系和22份回交群体为材料进行灰斑病抗性鉴定和评价，筛选出高抗自交系1份以及多份抗病回交导入系，研究表明，自交系感病几率较高，而回交导入系在改良品种抗病性上有很大作用。国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)选育并保存了丰富的灰斑病抗性资源[30]，Nzuve等[31]对CIMMYT自交系与7个热带自交系配制的42个杂交组合进行灰斑病抗性研究，结果表明，来自CIMMYT的CML 373和TZMI 711自交系含有抗性基因，用这2个自交系组配杂交组合的抗性均较好。吴雯雯等[32]同样利用CIMMYT的CML系列玉米自交系进行抗性配合力鉴定以及遗传参数估计，研究表明，CML 390组配的各组合抗性表现优异。虽然国内外研究者开展了大量的玉米灰斑病的抗源筛选工作，但均未发现对灰斑病免疫的种质，大多数种质表现感病，但具有热带、亚热带血缘的玉米种质普遍对灰斑病的抗性较好[9,21,25,33-38]。

由于玉米尾孢菌灰斑病发现得较晚，国内有关玉米尾孢菌灰斑病抗性资源的评价较少。刘可杰等[39]采用田间人工接种评价了300份玉米种质对2种灰斑病菌的抗性，结果表明，对玉米尾孢菌表现高抗和抗的种质分别有10份和100份，对玉蜀黍尾孢菌表现高抗和抗的种质分别有4份和33份，未鉴定出对2种灰斑病菌表现免疫的种质；300份种质中只有77份对2种灰斑病菌的抗性表现一致，而149份种质对2种灰斑病菌的抗性表现截然相反，说明玉米种质对这2种灰斑病菌的抗性存在很大的差异。

3 抗性基因定位

玉米对灰斑病的抗性主要表现为加性遗传效应，属数量性状遗传[40-44]。近20多年来国内外对玉米灰斑病抗性QTL定位的报道很多，Bubeck等[45]、Saghai-Maroof等[46]、Clements等[47]、Lehmensiek等[33]、Gordon等[48]、Balint-Kurti等[49]、Pozar等[50]、Zwonitzer等[51]、吕香玲等[52]利用不同的温带玉米材料，Zhang等[53]、Xu等[54]、Liu等[55]引进热带的抗病材料，发展了F2∶3、F2∶4、BC1F2及高代回交、RIL等连锁群体，通过RFLP、SSR等标记在玉米的10条染色体上均检测到了灰斑病的抗性QTL；在此基础上，Shi等[56]、王平喜等[57]采用overview和元分析的方法，整合前人不同作图群体得到的抗性QTL信息，确定了部分一致性QTL位点。以上研究虽在一定范围内检测到灰斑病的抗性位点和遗传构成，但由于定位群体和方法不同、群体规模较小、遗传交换局限较大，检测出的QTL数目和位置存在较大差异，多数定位精度不高，更没有抗灰斑病基因被克隆。

随着作物全基因组测序的完成，特别是SNP标记开发的迅猛发展，应用关联分析方法研究作物数量性状基因已成为当今研究热点之一。关联分析方法因其研究周期短、分辨率高，可同时对数十个基因进行检测，可以明确不同种质资源中所携带的等位基因及其对目标的贡献[58-59]，在作物分子标记辅助改良方面比连锁定位更有效力[60-61]。目前关联分析已成功应用于玉米小斑病[62]、大斑病[63]、丝黑穗病[64]、穗粒腐病[65]、粗缩病[66]等玉米病害的遗传研究，但应用于灰斑病的关联分析还很少。Shi等[67]利用41,101个SNP标记对161个玉米自交系进行灰斑病抗性的全基因组关联分析，结果检测到51个标记位点与灰斑病的抗性显著相关，并发现了3个抗玉米灰斑病的候选基因；Mammadov等[68]结合连锁和关联分析在第1、4、7和8染色体上获得了抗灰斑病的QTL，其中位于第7染色体上的QTL与开花期共定位；Kuki等[69]利用355,972个SNP标记对157个热带玉米自交系进行灰斑病抗性的全基因组关联分析，结果检测到7个SNP位点与灰斑病的抗性显著相关，也发现了3个抗玉米灰斑病的候选基因。但这些基因都尚未克隆和验证，其真实性、功效及价值还有待检验。

以上研究多是针对玉蜀黍尾孢菌灰斑病进行的抗性QTL定位，目前国内外有关玉米尾孢菌灰斑病抗性QTL的定位很少。刘可杰[70]在国内首次将1个抗玉米尾孢菌灰斑病的主效QTL定位在1号染色体短臂的binl.04～1.05处，物理距离约为4 Mb的区域内，该QTL可解释53.0498%的表型变异。至于2种病原菌灰斑病的抗病基因/QTL是否存在明显差异还有待进一步研究。

4 展 望

培育和种植抗病品种是控制病害最经济有效的途径，而抗病育种的成效取决于对抗源的获得和抗病遗传机制的认识。尽管国内外在玉米灰斑病抗性种质的筛选及鉴定、抗病遗传及机制和抗性QTL方面进行了大量研究，但由于缺乏有效的抗病资源、目前尚无精细定位群体及高密度连锁图谱、且抗病基因还未克隆，玉米抗灰斑病品种选育的进展缓慢。热带和亚热带玉米种质蕴藏着许多优良的抗病基因，对这些抗病基因的发掘和利用对于玉米品种的抗性改良至关重要。连锁和关联分析是数量性状研究的两种主要方法，它们在QTL定位的精度和广度、提供的信息量、统计分析方法等方面具有互补性，结合连锁和关联分析的优点将加快数量性状基因的鉴定和分离克隆。因此，今后应加强热带、亚热带玉米种质的研究和应用，联合连锁和关联分析加快抗性基因的定位和克隆，为利用分子标记辅助选育抗灰斑病玉米品种奠定基础。