629份国内外玉米种质及杂交种对丝黑穗病的抗性评价

王春明, 郭 成*， 周天旺， 段灿星

(1. 甘肃省农业科学院植物保护研究所， 甘肃 兰州730070； 2. 农业部天水作物有害生物科学观测实验站， 甘肃 天水 741200； 3. 中国农业科学院作物科学研究所/国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程， 北京 100081)

玉米(Zeamays)又名苞谷、苞米、玉蜀黍、珍珠米等，原产于南美洲，后被传至世界各地，是全世界公认的“黄金作物”[1]。它不仅是我国重要的粮饲兼用型作物，也是我国重要的能源植物和工业原料，在国民经济和农业生产中占有非常重要的地位[2]。我国是玉米生产与消费大国，目前种植面积和总产量已经位列谷类作物生产的第一位，约10%和70%的总产量分别作为主粮和饲料被食用和利用[3]。在当今大力提倡“秸秆畜牧业”的形势下，粮饲兼用型玉米是发展畜牧业，解决我国粮食供需矛盾，实现粮饲有效性供给的有效途径之一[4-5]。然而，受到气候条件的变化、品种更替以及栽培和耕作制度的调整等诸多因素的影响，玉米病虫害的发生呈明显加重趋势，严重影响着玉米的产量和质量。据统计我国每年因病虫害发生和流行而导致玉米产量损失约1 000万t[6]。

玉米丝黑穗病是一种世界性病害，在全球大多数玉米产区都有不同程度的发生，是生产上严重为害玉米的真菌性病害之一，其病原菌为丝孢堆黑粉菌(Sporisoriumreilianum)[7-11]。种植和利用抗病品种是控制玉米丝黑穗病最安全和高效的措施，而优异的抗性种质是进行抗病品种选育和种质改良的前提和基础。玉米抗病育种成效的大小，在很大程度上取决于育种者掌握抗病种质资源数量的多少和对抗病性状表现及其遗传规律的研究深度[12]。通常，植物种质资源库有携带抗病基因的植物材料，通过育种的方法将这些抗病基因导入植物，是保护植物免于病虫害的重要而有效的方法[13]。为此，许多学者在丝黑穗病抗性鉴定筛选方面已做了很多的工作，筛选出了一批高抗玉米丝黑穗病的自交系、农家种和杂交品种[14-21]，如辽3053，KH13、农选34、沈阳143、龙抗283、东91，CD13、育系549、育系254、育系490、育系541、吉T5、赤L5、赤L155、粤48、酒341-2、鲁原92、郑653、沙1、宁45、晋穗54，HR36，LM49，LM50、吉 63 / o2、吉846、吉992，FR218，D2374，T432、吉T5，SW91D-323-7，Ki1414，郑单958、桂单21、桂单22等，但高抗丝黑穗病的玉米种质仍相对较少。

玉米丝黑穗病主要导致果穗全部被害，通常发病率几乎等于损失率[6]，而青贮玉米感染丝黑穗病后不仅影响玉米产量，还会影响饲料品质，牲畜食用后会导致健康隐患[22]。因此，控制该病害的发生和为害具有极其重要的意义。抗病品种的有效利用不仅降低了病害发生率和产量损失，也提升了玉米的品质。同时，抗病品种的大面积推广种植，在一定程度上降低了化学农药的使用量，减少了其对环境的危害，对食品及饲料安全等起到了一定的保障作用。因此，为了寻找和筛选抗性较好的目标材料，我们加大了国内外玉米种质对丝黑穗病的抗性鉴定与评价，本研究在2016-2018年间对国家玉米种质资源库中629份国内外玉米种质及杂交种进行了抗丝黑穗病鉴定和评价，旨在为抗病品种的选育提供核心抗源，以及国外引进品种的合理利用和改良提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料：初次鉴定材料2016年312份，2017年317份，共629份玉米种质资源，包括266份国内外玉米自交系、216份国内外农家种、5份国外群体材料和142份国外杂交种，均由中国农业科学院作物科学研究所提供。其中2017年和2018年分别对2016年和2017年初次鉴定表现抗及高抗的34份和42份材料，进行重复鉴定。供试玉米材料来源与数量见表1。

表1 供试玉米材料来源与数量Table 1 Origin and number of maize materials

1.2 试验方法

1.2.1病原冬孢子的制备 玉米丝黑穗病病原冬孢子由甘肃省农业科学院植物保护研究所采集并保存，具体方法如下：将从典型病株上采集的病瘿，装布袋内置通风处越冬，以备下一年鉴定用。播种前1周将病瘿上的菌粉抖落，用40目细筛筛出冬孢子，按0.1%比率与细土充分混合成菌土备用[21]。

1.2.2试验地点及试验设计 鉴定圃设在甘肃省天水市甘谷县新兴镇头甲村，年平均气温为9.5～10.9℃。于2016-2018每年4月中旬进行田间春播，每份材料均按人工穴播种种植2行，每行行长5 m，行、穴距为60 cm×20 cm。每穴点播种子3～4粒，覆盖菌土100 g。待4～5叶1心期，每穴随机留苗2株。根据每年材料数量在鉴定圃内设Mo17(R)和黄早四(HS)对照5组及以上。

1.2.3调查方法及病害分级 参照中华人民共和国农业部颁布的玉米抗丝黑穗病鉴定技术规范进行[23]。病情分级及抗性分级标准见表2。在玉米进入乳熟期后，对供试材料逐株进行调查，分别记载总株数，发病株数，计算病株率。根据病株率，评价供试材料的抗感水平。供试材料若在初次鉴定中表现为抗及高抗时，次年进行重复鉴定，抗性以记载的2年中最高病情级别为准。

表2 玉米抗丝黑穗病病情分级及抗性类型Table 2 Disease classification and resistance types to head smut

2 结果与分析

2.1 抗丝黑穗病对照材料的抗性结果

试验结果表明，2016-2018年期间抗病对照材料Mo17表现为中抗(MR)～高抗(HR)，病株率分别为10.00%，0.00%和8.87%；高感病对照材料黄早四3年均表现高感(HS)，病株率分别为62.32%，62.96%和95.77%。说明3年的对照材料发病充分，鉴定结果准确、可靠。

2.2 不同类型玉米种质及杂交种对丝黑穗病的抗性水平

如图1所示，在鉴定的629份玉米种质及杂交种中，25 份材料表现高抗，34 份材料表现抗，55份表现中抗，322份表现感，193份表现高感，分别占总材料的3.97%，5.41 %，8.74 %，51.20%和30.68%。由图2可知，表现中抗及中抗以上自交系共32份，占266份供试自交系12.03%，表现中抗及中抗以上杂交种共23份，占142份供试杂交种的16.20%，而表现中抗及中抗以上农家种59份，占216份供试农家种的27.31%。

2.3 不同来源玉米种质及杂交种对丝黑穗病的抗性水平

针对不同地理来源的487份玉米种质(自交系、农家种及群体材料)，比较了6个不同省份共87份种质(中抗及中抗以上)的抗性情况，在中国贵州、中国四川、中国内蒙古、中国云南、俄罗斯和墨西哥种质中，抗丝黑穗病种质占比分别为56.92%，20.00%，18.18%，11.11%，9.68%和8.45%，结果表明不同地区玉米种质的抗丝黑穗病强弱以及抗性多样性存在较大的差异，来自于中国贵州的种质，其整体抗性水平明显高于中国云南、中国内蒙古和中国四川，也高于俄罗斯和墨西哥种质(表3)。在3个筛选出高抗自交系的地区中，中国内蒙古、俄罗斯、乌拉圭占供试自交系比例分别为1.88%，1.13%，和0.38%。同时比较142份国外杂交种的抗性情况发现，来自乌拉圭的杂交种抗丝黑穗病(中抗以上)的比例较高，占比17.14%(表4)。

图1 玉米材料所占抗性比例Fig.1 The proportion of resistance types of maize materials

图2 自交系、农家种和杂交种分别所占抗性比例Fig.2 The proportion of different resistance types of inbred lines，peasant resources and hybrids respectively

表3 不同地理来源的玉米种质对丝黑穗病的抗性统计Table 3 Number of maize germplasm from different areas with resistance to head smut

表4 不同地理来源的国外杂交种对丝黑穗病的抗性统计Table 4 Number of maize hybrids from different areas of overseas with resistance to head smut

2.4 国内自交系对丝黑穗病的抗性水平

在67份国内自交系中，赤L311、赤L314、赤L222，B07152和赤L224共5份自交系表现高抗(HR)；HVN-1、赤L213和B07060-1共3份自交系表现抗(R)；赤L312、赤016，C7172和zce-4共4份自交系表现中抗(MR)；赤L228，B07-112，ODL-2、赤L229，zce-3等29份表现感病(S)；而赤y4，ODL-4，赤L216，POL-2、赤004，POL-4，HVN-4等26份表现高感(HS)，分别占供鉴国内自交系的7.46%，4.48%，5.97%，43.28%和38.81%，表现中抗、抗及高抗的国内自交系见表5。

表5 国内自交系对玉米丝黑穗病的抗性类型Table 5 Resistance of maize inbred lines to head smut from domestic

2.5 国外自交系对丝黑穗病的抗性水平

在199份国外自交系中，12630(1)，18236(2)，23311(2)和YJ001500共4份自交系表现高抗(HR)；YJ001496，7222，CI156，12630(2)，9478，9494和4966(1)共7份自交系表现抗(R)；CI103，22728(3)，4534(2)，4687(2)，CI122，10320(2)，CI117，CI172和CI95共9份自交系表现中抗(MR)；YJ001497，CI175，CI201，23309，4905(1)，CI75，22971(2)等88份表现感病(S)；而9466(1)，CI110，CI112，4672(2)，5313，8026(2)等91份表现高感(HS)，分别占供鉴国外自交系的2.01%，3.52%，4.52%，44.22%和45.73%，表现中抗及中抗以上国外自交系见表6。

表6 国外自交系对玉米丝黑穗病的抗性类型Table 6 Resistance of maize inbred lines to head smut from overseas

2.6 国内农家种对丝黑穗病的抗性水平

在供鉴的212份国内农家种中，黄糯包谷(221103)、白包谷(221110)、白包谷(221113)、黄包谷(221116)、白包谷(221121)、黄糯包谷(221131)和北城红玉米(211637)共7份材料表现高抗(HR)；白二道早(221108)、黄二季早(221134)、安顺白玉米(211627)、白糯包谷(221139)、白包谷(221109)、白二季早(221133)、杨家大白玉米(211685)、小白包谷(221128)、潼梁浅红玉米(211682)、黄包谷(221123)等18份材料表现抗(R)；黄包谷(221088)、白包谷(221105)、白糯包谷(221132)、黄包谷(221112)、白包谷(221119)、黄包谷(221089)、红玉米(232177)等共34份材料等表现中抗(MR)；广西白包谷(232138)、黄包谷(232116)、白糯包谷(221135)、马阁花黄玉米(211666)、白包谷(221144)、大康白玉米(211639)、黄白糯(221145)、小白包谷(221084)、黄糯包谷(221147)、二黄早(221092)、剑门白(211660)、爆裂14号(232123)等121份表现感病(S)；爆花玉米(232184)、白果浅花玉米(211633)、东安紫玉米(211647)、黑玉米(211657)、本地黑糯(201314)、岗堡白玉米(211650)、白包谷(232107)、本地包谷(232135)、白包谷(232188)、百日归(140147)等32份表现高感(HS)，分别占供鉴农家种的3.30%，8.49%，16.04%，57.08%和15.09%，表现中抗及中抗以上国内农家种见表7。

表7 国内农家种对玉米丝黑穗病的抗性类型Table 7 Resistance of maize peasant resources to head smut from domestic

2.7 国外农家种对丝黑穗病的抗性水平

在来自越南和墨西哥的4份农家种材料中，未发现中抗及中抗以上材料，感病材料2份，分别为VN8960和LVN61；高感材料2份，分别为LVN9和SW-92D。

2.8 国外群体材料对丝黑穗病的抗性水平

在来自巴西的5份群体材料中，未发现中抗及中抗以上材料，感病材料3份，分别为YJ001548，YJ001546和YJ001549；高感材料2份，分别为YJ001528和YJ001547。

2.9 国外杂交种对丝黑穗病的抗性水平

在供鉴的142份国外杂交种中，YJ001501，YJ001460，YJ001472，YJ001476，YJ001486(2)，YJ001493，YJ001515，YJ001518，YJ001522共9份表现高抗(HR)；YJ001456，YJ001457，YJ005245，YJ001467，YJ003531和YJ001525共6份表现抗(R)；YJ001485，YJ003506，YJ001478，YJ003496，YJ001465，YJ001488(2)，YJ001520，YJ001505共8份等表现中抗(MR)；YJ001477，YJ001466，YJ001462，YJ001545，YJ001464，YJ003523，YJ001471，YJ001535，YJ003504，YJ003510，YJ001519，YJ001534，YJ001510等79份表现感病(S)；YJ001539，YJ001503，YJ001537，YJ001479(2)，YJ001458，YJ003532，YJ001455，YJ003520，YJ001557，YJ003515，YJ001491，YJ001507，YJ003513，YJ001533等40份表现高感(HS)，分别占供鉴杂交种的6.34%，4.23%，5.63%，55.63%和28.17%，表现中抗及中抗以上国外杂交种见表8。

表8 国外杂交种对玉米丝黑穗病的抗性类型Table 8 Resistance of maize hybrids to head smut from overseas

3 讨论

本研究利用人工接种进行了抗丝黑穗病鉴定和筛选，通过初次鉴定和重复鉴定，在629份材料中筛选出中抗及中抗以上材料共114份，占供试材料的18.12%，其中高抗材料仅25份，占供试材料的3.97%，这与前人在研究中认为对丝黑穗病表现高抗的材料较少的结论一致[14-21]。其中表现中抗及中抗以上的自交系共32份，占266份供试自交系的12.03%，表现中抗及中抗以上杂交种共23份，占142份供试杂交种的16.20%，而表现中抗及中抗以上农家种59份，占216份供试农家种的27.31%。进一步分析所有供试材料来源发现，来自于中国贵州的材料，其整体抗性水平明显高于中国云南、中国内蒙古和中国四川，也高于俄罗斯和墨西哥材料。

2018年12月18日召开的农业农村部常务会“研究加强农业物种资源保护与利用工作”中强调，农作物种资源是国家战略性资源，要充分认识保护与利用工作的重要性，为加快农业科技创新提供重要基础支撑[24]。种质资源是植物育种的基础，筛选和评价抗病种质是植物抗病育种的前提和必要条件[25]。我国从20世纪70年代以来，在玉米种质资源的筛选、利用、引进及抗病品种的选育等方面做了大量的研究工作，筛选出了一批优质的抗源材料[21,26-29]，这有力地推动了玉米丝黑穗病的抗病育种等工作。但高抗丝黑穗病的玉米种质仍相对缺乏，还需加大对种质资源的引进、搜集、整理和鉴定，尤其对国外优良种质资源的引进、改良和创新。

玉米对丝黑穗病的抗病性属于数量性状遗传，抗病性遗传规律表现为双亲高抗的其后代亦抗，以母本的抗病性为主导[30]，因此高抗丝黑穗病种质资源的利用将有助于高抗丝黑穗病品种的选育及相关抗病基因的挖掘，提高抗病育种效率。华致甫等[31]对我国9个省区的玉米丝黑穗病菌在不同类型的玉米材料上进行致病力和同功酶实验，结果表明分布于甘肃、陕西、四川、吉林、云南等地的1号小种为优势小种。本次鉴定接种所用的玉米丝黑穗病病原菌是由本课题组在常年鉴定病圃采集保存和扩繁的强致病菌，具有代表性，筛选出的高抗丝黑穗病种质，可作为抗丝黑穗病育种的目标材料。

由于植物病害受多种因素的影响，利用与抗病基因紧密连锁的分子标记辅助选择多抗性基因聚合体，能够有效的提高抗病育种的效率[13]。目前，PCR分子标记已被广泛应用于小麦、玉米、大豆等作物的抗病育种中[32]。PCR分子标记可以实现准确鉴定多个抗病基因，并快速选育多个抗病基因聚合体，为培育持久、广谱抗性种质资源提供材料和方法[13]。如李莉等[33]利用分子标记辅助选择技术把感玉米丝黑穗病的亲本8902改良成抗病自交系，并与吉1037配制杂交种，研究结果表明分子标记辅助选择技术显著提高了自交系及其杂交种对玉米丝黑穗病的抗病效果。本研究在供鉴的212份国内农家种中，筛选出对丝黑穗病表现高抗、抗性、中抗的材料各占供鉴国内农家种的3.30%，8.49%，16.04%；从供鉴的266份国内外自交系中，筛选出9份高抗材料，占供试自交系的3.38%；从供鉴的142份引自国外的杂交种中，筛选出中抗及中抗以上杂交种23份，占供试杂交种的16.20%，其中高抗杂交种9份，占供试杂交种的6.34%。这不仅为抗玉米丝黑穗病新品种的选育提供抗源，而且也为挖掘与定位玉米抗丝黑穗病密切相关的抗性基因及抗丝黑穗病新品种的选育提供可利用的基因资源。

4 结论

本研究共鉴定出赤L311、18236(2)、黄糯包谷(221103)等共25份高抗材料；HVN-1，B07060-1，YJ001496等34份抗病材料；C7172，zce-4，CI103等55份中抗材料；感病和高感材料各322份和193份。研究发现来自于中国贵州的种质，其整体抗丝黑穗病的水平明显高于中国云南、中国内蒙古和中国四川，也高于俄罗斯和墨西哥种质；来自乌拉圭的杂交种抗丝黑穗病的水平高于巴西。