国外种质对玉米禾谷镰孢茎腐病与穗腐病的抗性鉴定与分析

那明慧, 陈晓旭, 赵睿杰, 王作英, 高增贵

(1.丹东农业科学院, 辽宁 凤城 118100; 2.沈阳农业大学植物保护学院, 沈阳 110161)

因作物密植、气候变化、秸秆还田等因素影响,玉米茎腐病和穗腐病呈加重趋势,广泛发生于我国各个玉米生产种植区,导致玉米产量和品质大幅下降,严重威胁玉米生产。引起玉米穗腐病和茎腐病的主要致病菌为禾谷镰孢菌(Fusariumgraminearum),是我国东北及其他地区玉米茎腐病和穗腐病的优势致病菌。选择抗病品种是目前最安全、最经济、最有效的治理玉米病害的措施。现阶段大部分地区对于玉米自交系的鉴定大多选择田间自然发病,较为粗放,不同地区不同年份间环境因素不同,发病条件发生变化,自然发病存在许多不确定因素,发病不充分,或者有其他病原菌的干扰,导致鉴定结果不准确。人工接种可以保障被鉴定的品种或种质资源接种指定的病原菌,不被其他杂菌干扰,并且可以人工干预接种后鉴定圃的发病条件,适量的病原菌加上适宜的发病条件可以诱导病害的发生、控制病害发展,使鉴定结果更为准确。目前通过人工鉴定已筛选出一批抗性水平不同的玉米镰孢茎腐病和穗腐病抗性资源,对抗玉米禾谷镰孢茎腐病和穗腐病品种的选育起到了重要的促进作用,相关玉米抗镰孢茎腐病和穗腐病的鉴定评估工作已取得了重要成果[1-9]。

目前,我国玉米抗性种质资源无法满足育种需求,所以引进、鉴定和利用国外种质资源具有重要意义[10]。由于外引种质资源的所属环境不同,对各病害的抗性水平也不同。因此,国外种质资源的人工接种鉴定和抗性资源的定向筛选就显得格外重要。本研究采用人工接种方法,对引自美国、加拿大、巴西、波兰、德国、墨西哥等国的225份玉米种质资源进行了抗禾谷镰孢菌的鉴定和评价,以期为抗病育种和种质资源的改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为225份引自国外的自交系,其中68份来自美国,27份来自加拿大,43份来自巴西,32份来自波兰,19份来自德国,36份来自墨西哥,以上种质资源均由丹东农业科学院玉米所多年自交留存并提供。所有自交系共设置2个处理,每处理每份材料种植3行,行长3.5 m,行距0.6 m,每行15株,3行保证留苗40～45株,每隔100份自交系设置1组抗感对照。第一个处理接种玉米茎腐病,抗、感对照分别是齐319、掖478。第二个处理接种玉米穗腐病,每株仅接种第一个雌穗,选用的抗、感对照分别为X 178、B 73。每处理抗感对照设2次重复。

1.2 供试菌株

禾谷镰孢菌由沈阳农业大学植物保护学院提供,MF 3和FG 16由丹东农业科学院植物保护研究所提供。

1.3 试验方法

1.3.1玉米茎腐病的接种

接种期为玉米大喇叭口期(V 13)至抽雄初期(VT),全天均可接种,接种鉴定田常规化管理。将禾谷镰孢菌接种到马铃薯葡萄糖培养液(Potato Dextrose,简称PD)中,25 ℃、150 r/min振荡培养5～7 d。用纱布过滤后,加入无菌水稀释。在靠近植株根部25～30 cm处,用电钻或尖锐器具以45°角向斜下方打孔至玉米茎秆中部(不要穿透玉米茎秆),将1 mL孢子悬浮液注入孔内后,用凡士林将伤口密封,以防菌液流出或其他病原菌在伤口处侵染影响鉴定结果。每个自交系接种不少于40株。

1.3.2玉米穗腐病的接种

接种时期为玉米吐丝后10～14 d,全天均可接种。接种鉴定田常规化管理。将禾谷镰孢菌接入PD中,在25 ℃、150 r/min振荡培养5～7 d。纱布过滤后,用无菌水调节分生孢子浓度至2×106个/mL。自交系接种采用籽粒注射法,用尖锐的金属器具先在雌穗中部钻孔,再用连动注射器将2 mL孢子悬浮液注入伤口中后,伤口用凡士林密封,以防菌液流出或其他病原菌在伤口处侵染影响鉴定结果。3行接种不少于20株[6-11]。

1.4 评价标准

1.4.1玉米茎腐病病情分级标准

玉米进入乳熟期(R 4)进行病情调查,记录调查数据,按照NY/T 1248.8—2016玉米抗病虫性鉴定技术规范[12],按捏植株基部,感觉空心、松软,或茎皮明显变褐的植株,即是发病植株。

当设置的高感对照(掖478)达到高感程度9级(发病株率超过40%)时,该批次鉴定视为有效。计算每份鉴定病级,并依据级别确定该鉴定材料对茎腐病的抗性,抗性的划分标准见表1。记录每份鉴定材料的总株数和发病株数,计算各鉴定材料的发病株率。

表1 玉米镰孢茎腐病抗性评价标准Table 1 The criteria of evaluation for maize resistance to fusarium stalk rot

1.4.2玉米穗腐病病情分级标准

按照NY/T 1248.8—2016玉米抗病虫性鉴定技术规范9级分级标准,1级:发病面积占雌穗总面积的0～1%;3级:发病面积占雌穗总面积的2%～10%;5级:发病面积占雌穗总面积的11%～25%;7级:发病面积占雌穗总面积的26%～50%;9级:发病面积占雌穗总面积的51%～100%。

待玉米成熟后进行病情调查,并记录调查数据。当设置的感病对照(B 73)材料平均病级≥5.6,抗病对照(X 178)平均病级≤3.5时,该批次鉴定视为有效。计算每份鉴定材料雌穗的平均病级,并依据平均级别确定该鉴定材料对穗腐病的抗性,病情级别的划分标准见表2。

表2 玉米镰孢穗腐病抗性评价标准Table 2 The criteria of evaluation for maize resistance to fusarium ear rot

1.5 数据分析

利用Microsoft Excel 2013软件分析处理数据;利用SPSS软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米种质镰孢茎腐病的抗性鉴定

2020—2022年,连续3年在同一地块人工接种玉米镰孢茎腐病,鉴定评价225份国外的玉米种质,调查结果显示,3年间充分发病。

图1 玉米种质镰孢茎腐病的抗性水平Fig.1 Different levels of resistance to fusarium stalk rot in maize germplasm

2020年抗性对照齐319和感病对照掖478分别表现为抗(6.8、9.2)和感、高感(37.3、42.0)。对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为19、48、64、27、67份,占比分别为8.4%、21.3%、28.4%、12.0%、29.8%。其中,来自美国的种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为6、9、6、11、16份,分别占总数的2.7%、4.0%、11.6%、4.9%、7.1%;加拿大的种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为3、9、7、1、7份,分别占总数的1.3%、4.0%、3.1%、0.4%、3.1%;巴西种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为2、14、9、3、15份,分别占总数的0.9%、6.2%、4%、1.3%、6.7%;波兰种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为4、7、6、6、9份,分别占总数的1.8%、3.1%、2.7%、2.7%、4.0%;德国种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为2、14、9、3、15份,分别占总数的0.9%、6.2%、4.0%、1.3%、6.7%;墨西哥种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为2、6、12、5、11份,分别占总数的0.9%、2.7%、5.3%、2.2%、4.9%。

2021年整体发病程度较2020年重。齐319和掖478的发病级别分别为抗(8.1、9.6)和高感、感(54.2、37.8)。对镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为5、8、87、53、72份,占比分别为2.2%、3.6%、38.7%、23.6%、32.0%。其中,来自美国的种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为2、1、30、14、21份,分别占总数的0.9%、0.4%、13.3%、6.2%、9.3%;加拿大的种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为1、3、7、7、9份,分别占总数的0.4%、1.3%、3.1%、3.1%、4.0%;巴西种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为1、13、12、17份,分别占总数的0.4%、5.8%、5.3%、7.6%;波兰种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为17、8、7份,分别占总数的7.6%、3.6%、3.1%;德国种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为1、1、7、6、4份,分别占总数的0.4%、0.4%、3.1%、2.7%、1.8%;墨西哥种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为1、2、13、6、14份,分别占总数的0.4%、0.9%、5.8%、2.7%、6.2%。

2022年整体发病程度与2021年相比较轻。2022年齐319和掖478的发病级别分别为抗(6.8、5.6)和感、高感(36.1、48.0)。对镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为10、14、89、42、70份,占比分别为4.4%、6.2%、39.6%、18.7%、31.1%。其中,来自美国的种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为2、8、28、11、19份,分别占总数的0.9%、3.6%、12.4%、4.9%、8.4%;加拿大的种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、中抗、感和高感的种质分别为1、13、8、5份,分别占总数的0.4%、5.8%、3.6%、2.2%;巴西种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为6、1、10、11、15份,分别占总数的2.7%、0.4%、4.4%、4.9%、6.7%;波兰种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为高抗、抗、中抗、感和高感的种质分别为1、5、12、6、8份,分别占总数的0.4%、2.2%、5.3%、2.7%、3.6%;德国种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为6、4、9份,分别占总数的2.7%、1.8%、4.0%;墨西哥种质资源对玉米镰孢茎腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为20、2、14份,分别占总数的8.9%、0.9%、6.2%。

图2 不同国家玉米种质对镰孢茎腐病的抗性水平Fig.2 The resistance levels to fusarium stalk rot in maize germplasms between different countries

通过对镰孢茎腐病连续3年的鉴定结果进行相关性分析发现,2020年与2021年、2021年与2022年、2020年与2022年不同年度间相关系数分别为-0.056、-0.230、-0.110,表明外引种质资源在不同环境下对玉米镰孢茎腐病的抗性存在差异。综合分析3年的鉴定数据,筛选出12份对镰孢茎腐病抗性较好的种质,在各年抗性表达均达到中抗以上,是抗玉米镰孢茎腐病的宝贵资源。

2.2 玉米种质镰孢穗腐病的抗性鉴定

2020—2022年,连续3年在同一地块人工接种玉米镰孢穗腐病,鉴定评价225份国外的玉米种质,调查结果显示,3年间发病充分,没有对玉米镰孢穗腐病表现为高抗的自交系。

2020年抗病对照X 178和感病对照B 73的发病级别分别为中抗、抗(3.8、3.2)和感、高感(7.3、8.2)。对镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为26、99、68、32份,占比分别为11.6%、44.0%、30.2%、14.2%。其中,来自美国的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为17、30、21份,分别占总数的7.6%、13.3%、9.3%;加拿大的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感的种质分别为9、16、2份,分别占总数的4.0%、7.1%、0.9%;巴西种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为10、26、6、1份,分别占总数的4.4%、11.6%、2.7%、0.4%;波兰种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为3、16、8、5份,分别占总数的1.3%、7.1%、3.6%、2.2%;德国种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为3、9、3、4份,分别占总数的1.3%、4.0%、1.3%、1.8%;墨西哥种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为1、15、19、1份,分别占总数的0.4%、6.7%、8.4%、0.4%。

2021年抗病对照X 178和感病对照B 73的发病级别分别为抗(2.4、3.1)和高感(8.7、7.9),对镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为17、84、75、49份,占比分别为7.6%、37.3%、33.3%、21.8%。其中,来自美国的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为5、27、29、7份,分别占总数的2.2%、12.0%、12.9%、3.1%;加拿大的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为11、8、8份,分别占总数的4.9%、3.6%、3.6%;巴西的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为7、15、12、9份,分别占总数的3.1%、6.7%、5.3%、4.0%;波兰种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为1、10、8、13份,分别占总数的0.4%、4.4%、3.6%、5.8%;德国种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为3、5、7、4份,分别占总数的1.3%、2.2%、3.1%、1.8%;墨西哥种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为1、16、11、8份,分别占总数的0.4%、7.1%、4.9%、3.6%。

图4 不同国家玉米种质对镰孢穗腐病的抗性水平Fig.4 The resistance levels to fusarium ear rot in maize germplasms between different countries

2022年抗病对照X 178和感病对照B 73的发病级别分别为抗(2.8、2.2)和感、高感(7.3、7.8)。对镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为20、80、78、47份,占比分别为8.9%、35.6%、34.6%、20.9%。其中,来自美国的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为14、38、11、5份,分别占总数的6.2%、16.9%、4.9%、2.2%;加拿大的种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为5、13、3、6份,分别占总数的2.2%、5.8%、1.3%、2.7%;巴西种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为10、14、19份,分别占总数的4.4%、6.2%、8.4%;波兰种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为3、22、7份,分别占总数的1.3%、9.8%、3.1%;德国种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为中抗、感和高感的种质分别为2、10、7份,分别占总数的0.9%、4.4%、3.1%;墨西哥种质资源对玉米镰孢穗腐病表现为抗、中抗、感和高感的种质分别为1、14、18、3份,分别占总数的0.4%、6.2%、8.0%、1.3%。

通过对镰孢穗腐病3年鉴定结果进行相关性分析发现,2020年与2021年、2021年与2022年、2020年与2022年不同年度间相关系数分别为0.065、0.024、-0.187,表明不同环境下鉴定结果有一定的差异,说明种质资源对玉米穗腐病抗性容易受环境影响。分析3年的鉴定数据,筛选出25份对镰孢穗腐病具有良好抗性的种质,3年的抗性评价均达到中抗以上,是不可多得的抗镰孢穗腐病资源,将为玉米抗穗腐病育种和品种抗性改良提供重要的抗源材料。

3 结论与讨论

开展玉米种质资源抗茎腐病、穗腐病人工接种鉴定与评价,定向选择抗性种质,为抗病育种提供方向,为改良种质资源和抗性品种选育奠定基础。以往大部分研究选取的材料均以国内种质资源为主,具有一定的局限性,且抗性评价工作大多在2年内完成,很少涉及国外种质资源3年的鉴定与评价,而玉米镰孢茎腐病、穗腐病的发生和为害程度受环境影响很大,多年的鉴定结果更能全面地反映玉米种质资源对茎腐病、穗腐病的抗性[5,13-19]。

对225份引自国外的玉米种质进行禾谷镰孢菌引起的两种东北春玉米区的主要病害(镰孢茎腐病、穗腐病)的鉴定与评价表明,12份抗镰孢茎腐病的种质、25份抗镰孢穗腐病种质在3年均达到中抗以上。加拿大、美国的种质在抗镰孢茎腐病的种质中达到中抗以上占比最高,分别为4.0%、3.1%。美国、波兰的种质在3年内对玉米镰孢穗腐病的抗性达到中抗以上的资源各占比为1.7%。本研究筛选出的种质在不同环境条件都表现出稳定的抗性,明确这些种质在不同环境下对镰孢茎腐病的真实抗性水平,可高效利用抗性种质,为抗病育种奠定基础。3年的鉴定结果表明,现今保存的225份自交系中没有兼抗由禾谷镰孢菌引起的茎腐病、穗腐病的种质资源,仍需继续加强国外种质资源的引进,尤其是兼抗多种病害的高产种质资源,同时通过外引种质资源进行国内种质的改良和创新,最终选育高产、密植、适合机械化收割且兼具多种抗性的品种。