玉米南方锈菌在玉米品种上的相对寄生适合度研究

黄莉群 张克瑜 李磊福 董佳玉 孙秋玉 邓 杰 马占鸿

(中国农业大学 植物保护学院，北京 100193)

玉米南方锈病是由多堆柄锈菌PucciniapolysoraUnderw.引起的一种气传病害，该病在世界各地均有发生[1]。中国发生的玉米锈病主要有玉米普通锈病和玉米南方锈病，玉米锈病在中国发生危害逐年严重，其中玉米南方锈病发生范围广危害程度大[2-3]。1972年玉米南方锈病在海南省乐东黎族自治县尖峰地区首次被发现，随后1974年和1979年，在海南省的陵水和崖县等地也相继发现了此病害[4]。刘俊等[5]曾通过对近20 个省调查和资料整理发现玉米南方锈病在黄淮海夏玉米区和海南省发生较重，广东、广西次之，西南玉米区也有少量发生。2018年Liu等[6]使用Crouch等[7]发表的Real-time PCR检测玉米南方锈菌的方法，将中国黄淮海地区发生的玉米锈病类型确定为玉米南方锈病。Ramirez-Cabral[8]利用CLIMEX模型预测在气候变化下玉米锈病在全球的发生风险水平，结果显示玉米南方锈病在北半球呈蔓延趋势。

玉米南方锈病可引起玉米产量的较大损失。1949年玉米南方锈病在西非暴发流行，造成超过50%损失[9]；Melching等[10]在1975年报道玉米南方锈病在美洲地区暴发流行，Rodriguez-Ardon等[11]和Raid[12]通过对玉米南方锈病的试验研究发现，玉米南方锈病严重时损失最高分别可达45%和39%。1972—1974年，该病害在美国大暴发，造成的产量损失达30%到50%[13]。玉米南方锈病虽然在中国发现较晚，20世纪90年代以后该病在中国的发生逐渐开始北移，对中国多地玉米生产带来严重危害，成为夏玉米区的一种破坏性病害，流行时减产达10%以上[14]。田耀加等[15]对广州鲜食玉米调查后发现，玉米南方锈病除冬季休耕外持续危害玉米直至生长中后期，尤以7月和11月发生最严重，发病率近100%。

推广抗病品种是玉米南方锈病综合防治中最经济、环保、高效的措施，然而，已知抗玉米南方锈菌的抗病基因较少[16-18]。了解玉米南方锈菌的变异是选育和利用抗病品种的前提。东非曾发现3 个生理小种(EA1、EA2、EA3)[19-21]；Robert[22]发现与EA1、EA2、EA3不同的6 个小种(PP.3、PP.4、PP.5、PP.6、PP.7、PP.8)；1965年Ullstrup[23]在南非发现了第10 个生理小种PP.9；Casela等[24]在巴西利用商用玉米品种鉴定出多个致病型。中国除叶忠川[25]在台湾省发现13 个生理小种外内地玉米南方锈病的变异情况尚不清晰。因为对中国各地区菌株的致病性分化和生理小种等情况不清楚，所以刘骏等[5]对中国玉米南方锈病发生区域和玉米品种田间抗性所进行的研究无法综合考虑病菌致病性分化或生理小种存在地理性差异；袁红霞等[26]在对田间玉米品种抗性水平评价时也曾表明综合多地区菌源会使评价结果更加科学。由于玉米南方锈菌的变异情况尚不清楚，不利于建立以选育抗病品种为核心、以农业防治和化学防治为辅助的综合防治体系[27]。对玉米南方锈菌的寄生适合进行分析和供试玉米品种进行抗性评价对于抗病品种科学布局和将来选育抗病品种都具有一定意义，因此本研究拟在缺乏玉米南方锈菌鉴别寄主体系的情况下，以不同地区获得的玉米南方锈菌为研究对象，采用田间试验的方法，在研究中国玉米南方锈菌寄生适合度的同时对试验品种进行抗性评价，以期为致病型研究和品种科学布局提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种共28个，分别为荃玉1233，贵卓玉9号，迪卡517，郑单958，隆平206，明天695，伟科702，登海3737，郑黄糯2号，登海685，天贵糯937，天贵糯932，美玉7号，美玉11号，浚单20，先玉335，联创808，登海605，裕丰303，鼎优919，粤甜28号，广糯2008，超甜银栗2号，华珍，甜糯8号，特优998，中农甜414，粤甜9号。

供试玉米南方锈菌菌种采自海南三亚、广东河源、广西桂林、广西河池、云南玉溪、湖南邵阳，其中：海南菌株经温室人工扩繁并收集夏孢子备用；其他地区菌株为直接从田间病株样品上刮取夏孢子备用。

1.2 试验方法

1.2.1田间试验设计

试验于2019年7—9月在河南省开封市中国农业大学开封实验站进行。2019年7月初播种玉米，播种前施足量有机肥，苗期注意除草防虫。每个试验小区为半径1.8 和2.0 m的同心圆环，将28个玉米品种每种2株依次按圆环种植(图1)，并做好品种标记。在每个小区的中心种植5株感病品种郑单958，作为接种中心。每个处理重复3次，并设置无处理小区3个，作为空白对照，共21个试验小区，来至相同地区的菌源为1个处理，每个处理有3个圆形小区作为3个重复，每个处理之间种植2 m保护行(品种：登海605，行距0.3 m)。

在半径1.8 和2.0 m的同心圆环上种植28个玉米品种，并于2个圆环间插牌标记品种信息。A total of 28 maize varieties are planted on concentric circles with radius 1.8 and 2.0 m dividually, and labels are used to mark maize information planted between the two circles.图1 玉米南方锈菌对玉米不同品种相对寄生适合度试验小区设计Fig.1 Plot design of the relative parasitic fitness ofPuccinia polysora on different corn varieties

1.2.2田间接菌

田间接菌于玉米生长大喇叭口期进行。待接菌的玉米叶片先用百洁布擦除蜡质层，后将6 个地区各收集到的2 mg夏孢子用 5‰浓度的Tween-20水溶液1 L配制成孢子悬浮液，于傍晚喷雾接种于小区接种中心的感病品种叶片。接种后立即用保鲜膜覆盖叶片保湿，并全田喷灌，提高田间湿度，12 h后去掉保鲜膜。

1.2.3病情调查

9月初，发病中心植株开始发病，15 d后小区玉米品种轻度发病。为减少小区间交叉感染的影响，在发病初期时即对每株玉米每个叶片进行病情调查。病情等级划分采用袁红霞等[26]评价玉米品种田间抗性的标准：0级，未发病；1级，叶片上有单孢子堆或少量孢子堆，面积少于6%；3级，发病轻，叶片孢子堆面积6%～25%；5级，中度发病，叶片孢子堆面积26%～50%；7级，中度发病，叶片孢子堆面积51%～75%；9级，发病叶片孢子堆面积76%～100%甚至叶片枯死。

1.3 数据分析

试验区植株普遍发病后，系统性逐叶调查病情等级，根据病情指数公式：病情指数(DI)=100×∑(各级病叶数×各级代表值)/(调查总叶数×最高级代表值)，求得各接种区在每个玉米品种上的病情指数，再计算同一品种在6 个接种区的病情指数平均值，以及同一接种区内28 个品种的病情指数平均值。根据公式：相对病指=供试品种的病指/感病对照品种的病指，相对抗病性指数(IRR)=1-相对病情指数，对品种进行抗性评价[28]。抗病类型分为高抗HR(0．80≤IRR≤1．00)、中抗MR(0．60≤IRR<0．80)、中感MS(0．40≤IRR<0.60)、高感HS(IRR<0．40)[26]。

相对寄生适合度参考曾士迈和王沛有发表的相对寄生适合度测定方法[29]：即玉米品种相对寄生适合度=供试玉米品种病情指数/最感病玉米品种病情指数，地区相对寄生适合度=各接种区病情指数/毒力最强接种区病情指数。根据相对寄生适合度(RPF)对玉米南方锈菌毒力等级进行划分(0．80≤RPF≤1．00时为HV；0．60≤RPF<0．80时为MV；0．40≤RPF<0．60时为MA；RPF<0．40时为HA)，制定致病谱。

2 结果与分析

2.1 供试玉米品种抗性评价

依据各个鉴定品种在6 个地区的平均病情指数和IRR，对其进行抗性评价，结果见表1。可知：登海605、美玉11号、联创808、裕丰303、登海685、粤甜9号对玉米南方锈病抗性均达到高抗(HR)级别，且登海605表现最好；中农414、特优998、天贵糯932、天贵937的玉米南方锈病抗性较差，均为高感(HS)级别，其中天贵糯937抗病性最差，可做感病对照；其余玉米品种对玉米南方锈病的抗性水平居中间类型。

2.2 不同地区玉米南方锈菌在玉米品种上的相对寄生适合度分析

根据表1中28 个不同玉米品种上的病情指数计算出对应的相对寄生适合度并分析致病谱(表2)。可知：不同来源的玉米南方锈菌在同一玉米品种上的相对寄生适合度存在较大差异，以郑单958、郑黄糯2号、美玉7号、裕丰303上为例。在郑单958上，云南玉溪地区的玉米南方锈菌的相对寄生适合度为1.00(HV)，而广东河源地区的玉米南方锈菌为0.25(HA)；在郑黄糯2号上，海南三亚地区的玉米南方锈菌的相对寄生适合度为0.87(HV)，而广西桂林、云南玉溪地区的分别为0.12(HA)、0.07(HA)；在美玉7号上，海南三亚地区的玉米南方锈菌的相对寄生适合度为0.87(HV)，而湖南邵东地区的为0.07(HA)；在裕丰303上，湖南邵东地区的玉米南方锈菌的相对寄生适合度为 0.66(MV)，而广西桂林、云南玉溪地区的分别为0.00(HA)、0.10(HA)。不同地区玉米南方锈菌在同一品种上存在相对寄生适合度差异表明中国玉米南方锈菌不同群体存在致病性分化。

相较于其他地区的菌株，广西河池菌株的相对寄生适合度为1，其存活、繁殖和传播能力最强，说明其致病性最强；广西桂林菌株的相对寄生适合度为0.52，两地间的相对寄生适合度相差较大。海南三亚、云南玉溪、湖南邵东的菌株相对寄生适度分别为0.79、0.78和0.78，较为接近，各地菌株相对寄生适合度存在差异，也有一些地区菌株相对寄生适合度相似。

表1 不同地区来源玉米南方锈菌在不同玉米品种上的病情指数Table 1 Disease index of maize varieties infected by Puccinia polysora from different regions

表1(续)

表2 不同地区玉米南方锈菌在不同玉米品种上的相对寄生适合度Table 2 Relative parasitic fitness of Southern Maize Rust in different regions

3 讨论与结论

相对寄生适合度可用于比较玉米南方锈菌群体内不同生理小种在不同寄主品种上的数量波动和寄生适合程度，测定值表示在一定的时间和空间条件下某个生理小种相对于其它小种的存活、繁殖和传播能力。根据同一玉米品种上存在的对不同菌株出现相对寄生适合度分化为HV和HA的现象推测玉米南方锈菌存在致病性分化，因此判断在中国的玉米南方锈菌可能存在多个致病型。在本试验中致病谱是病菌对寄主的选择寄生范围，致病谱不一致也说明病菌致病性存在分化，各地区致病型种群结构存在差异。叶忠川[25]1986年曾报道在中国台湾省存在不同的生理小种，但中国其他地区未有玉米南方锈病在寄生适合度和致病性分化等方面的研究报道。进一步研究可借鉴Casela等[24]对巴西存在多个毒力类型进行研究的方法，即地区性相对寄生适合度较高(HV)对应玉米品种中选取高抗玉米品种(HR)，可作为区别致病型的玉米品种。本研究中有关玉米品种的抗性结论与刘骏等[5]和袁红霞等[26]测定的结果抗性存在部分不一致，即品种的抗病性会因为菌系不同而变化，原因可能是本研究采用了不同地区来源的玉米南方锈菌，各地区的种群结构存在差异，因而本试验综合多地区菌源进行抗性评价更加科学。相对寄生适合度需要鉴别寄主体系对菌株进行鉴定，但现今没有将单一抗病基因的玉米自交系作为成熟鉴别寄主体系，只能采用不同地区来源的菌株在不同玉米品种上接种作为初步探索，所以本研究也存在一定局限性。然而，在还没有成熟鉴别寄主体系的情况下，借鉴国外方法探明各地区菌株的致病型种类和致病型的地理分布，对玉米南方锈病广谱抗病品种选育仍具有一定意义。

相对寄生适合度的比较分析可推测中国玉米南方锈菌存在致病性分化，各地区致病型种群结构存在差异，不同地区的玉米南方锈菌其致病性由强到弱依次为广西河池、海南三亚、云南玉溪、湖南邵东、广东河源、广西桂林。其次，不同玉米品种的抗病性由强到弱依次是登海605、美玉11号、联创808、登海685、贵卓玉9号、明天695、裕丰303、荃玉1233、迪卡517、登海3737、隆平206、粤甜28号、粤甜9号、先玉335、伟科702、鼎优919、广糯2008、美玉7号、超甜银栗2号、郑黄糯2号、浚单20、华珍、甜糯8号、郑单958、中农甜414、特优998、天贵糯932和天贵糯937，致病性最强的菌株来自广西河池，抗病性最好的品种是登海605。