高粱大斑病研究进展

郑郧，姜军*，王鹏，张坤，伍维兰，安红柳，章松柏

1.长江大学农学院，湖北 荆州 434025 2.湖北省农林病虫害预警与调控工程技术研究中心 (长江大学)，湖北 荆州 434025

高粱是一种遍布世界各地的重要粮食作物。除小麦、水稻、玉米和大麦之外，它是世界上种植面积第五大的谷类作物，在105个国家有4 000万公顷的种植面积，其中60%分布在非洲，是南非和亚洲国家超过5亿人的重要主食作物。在过去十年中，随着特殊改良品种的产量增加，在乌干达干旱地区，高粱成为仅次于玉米的第二大谷物。在发达国家，高粱主要作为饲料作物进行耕种[1]。在中国，南北各省区高粱均有大量栽培。在高粱种植产地，均易产生高粱大斑病，它是一种重要的真菌病害。笔者对高粱大斑病的危害、致病菌的生理学特性、症状与传播、防治对策以及相关的高粱大斑病菌真菌病毒进行了综述，以期为今后更深入研究其防治提供参考。

1 高粱大斑病的危害

为了满足2050年的全球粮食需求，确保粮食安全稳定，有必要扩大高粱、小麦、水稻、玉米和甘蔗等粮食作物的生产规模。生物胁迫，尤其是真菌病害成为阻碍之一。高粱大斑病是高粱产区常见叶部真菌病害，导致高粱产量的巨大损失。调查结果表明，在高粱作为最重要的粮食来源的苏丹，选取45片高梁种植区进行观察，高粱大斑病发病率为65%～100%，严重程度为45%～85%。而高粱大斑病害严重程度每增加10%，产量就会下降2%～8%[2]。如果感染发生在圆锥花序萌发之前，可能导致粮食减产高达50%。在湿度高、温度适中的地方，高粱大斑病的危害最大[3]。在我国高粱产区，大斑病通常是多雨季节高粱病害的主要原因。

2 高粱大斑病菌的生物学特性

高粱大斑病是由高粱大斑病菌所引起的真菌性病害。病原菌的有性态为大斑刚毛座腔菌(Setosphaeriaturcica(Luttr.)Leonard &Suggs)，属子囊菌门真菌；自然条件下一般不产生有性世代。子囊孢子成熟后纺缍形，大小约60 μm×15 μm，呈褐色，多为3个隔膜，隔膜处有皱缩。病原菌的无性态为大斑凸脐蠕孢菌(Exserohilumturcicum(Pass.)LeonardetSuggs)，异名HelminthosporiumturcicumPass.；分生孢子梭形，呈褐色，有2～7个隔膜，大小约80 μm×20 μm，脐点明显，突出于基细胞外部(见图1)[4]。

图1 光学显微镜下高粱大斑病菌分生孢子形态Fig.1 Spore morphology of Setosphaeria turcicaat high magnification

大斑凸脐蠕孢菌存在显著的生理专化现象，根据其在寄主植物上的致病力差异，可以划分为高粱专化型和玉米专化型。即高粱大斑病菌与玉米大斑病病菌是同一个种的2个不同生理专化型[5]，高粱专化型可侵染高梁、苏丹草和约翰逊草，玉米专化型侵染玉米。遗传学研究表明，大斑真菌在墨西哥与玉米共同进化，后来出现到高粱上。高粱专化型的单一基因座为sorA+，玉米专化型的单一基因座为zeaA+[6]。一项对南非的大斑病菌种群的研究发现，高粱与玉米两种专化型分离物之间存在遗传分离，表现为缺乏共同的多焦点单倍型和高比例的私有等位基因[7]。同时感染玉米和高粱的异质体在自然界被发现，但极其罕见[8]。我国高粱、玉米产区均存在高粱专化型和玉米专化型，二者存在严格的致病力差异和遗传多样性[9]。

大斑凸脐蠕孢菌作为同一种病原体可以感染2种重要粮食作物并造成严重影响，因此成为研究植物-病原进化和研究2种植物间共有抗性机制的理想病原系统。2021年，LIU等[10]观察了3种渗透条件(在马铃薯葡萄糖琼脂培养基中添加 0.4 mol/L氯化钠、0.4 mol/L氯化钾和0.6 mol/L 山梨醇)下，渗透胁迫对大斑凸脐蠕孢菌生长、发育和致病性的影响。在渗透胁迫下，菌丝的生长速度降低，泡状结构和絮状物的数量减少，菌丝细胞壁外的泡状结构和絮状分泌物的数量显著增加。实时荧光定量PCR 结果显示，渗透胁迫迅速激活了激活了 HOG-MAPK 通路，上调了下游基因的表达。而且这些基因在暴露于渗透胁迫后30 min内表达量最高[10]。此外，在渗透胁迫下，分生孢子的萌发率和产量明显高于对照组。致病性分析证实，在渗透胁迫下培养的分生孢子的致病性明显增强。通过分析渗透胁迫响应基因StFPS11，即HOG-MAPK 通路下游的一种水甘油蛋白的敲除突变体，发现StFPS1参与了附着和穿透，从而影响了大斑凸脐蠕孢菌的穿透能力[10]。

3 高粱大斑病的症状与传播

高粱为禾本科一年生草本植物，直立，茎粗壮，有凹槽，长度为0.8～5 m。典型的叶片有一个明显的中脉，叶鞘包裹着茎。高粱喜温、喜光，并有一定的耐高温特性，全生育期适宜温度20～30 ℃。它的根系是玉米的两倍，并具有C4光合作用途径[11]。

高粱各生长阶段均可被高粱大斑病菌侵染。苗期即可发病。一般叶片上首先出现淡红色或黄褐色的水渍状小点，进展为小病斑，病斑扩大后汇合，沿叶脉呈现出长梭形或者长椭圆形，淡褐色至褐色，边缘有时呈现出紫红色，并可见不规则的轮纹。根据寄主基因的不同，病变的边界颜色也不尽相同。如遇潮湿多雨天气，病斑两面生成病原菌的分生孢子梗和分生孢子，呈现为黑色的霉状物覆盖。病斑一般从植株下部叶片逐渐向上扩展，在严重感染的情况下，也会感染叶鞘，叶片完全枯萎。当叶子受损到无法有效进行光合作用的程度时，高粱就会利用根部和茎部等区域储存的葡萄糖来补充，根部和茎部从而更容易受到感染，导致根部腐烂[12]。

高粱大斑病菌可以菌丝体、分生孢子或厚垣孢子等方式在土壤或高粱病残体上存活。带菌的植物残体是比分生孢子更为重要的侵染源。翌年孢子萌发进行初侵染和再侵染，使病菌不断扩散，炎热多雨季节可造成较重危害[13]。另有研究证实，作为一种杂食性甲虫，Notoxustrinotatus取食植物真菌病原体，可导致玉米大斑病的传播，携带病原体的甲虫数量的增多可能会增加玉米大斑病病害的侵染率[14]。高粱大斑病是否也有此传播途径，还有待进一步研究。

4 高粱大斑病的防治对策

4.1 选择抗大斑病的高粱品种

寄主抗性是控制疾病的最有效、最经济、最环保的方法。虽然寄主抗性在玉米中研究较广，2000年，已确定了几个对玉米大斑病有效的主要基因Ht1、Ht2、Ht3、HtN和ht4[15]。对玉米的定量抗性也进行了深入研究，其中涉及多个基因，包括pan1、ZmREM6.3[16]。但有关高粱的抗性报道非常有限。通过研究高粱大斑菌的分布，可帮助种植者选择具有所需抗性基因的适当的杂交品种，并帮助种子公司在特定区域内的杂交品种中布署抗性基因[17]。

2011年，有研究对易感性和抗性高粱和玉米基因型进行了cDNA-AFLP分析，以确定与抗性相关序列。在玉米真菌感染后上调的转录本中发现了一个 CC-NB-LRR编码基因GRMZM2G005347。这个新的植物抗性基因被命名为St。基因组序列比对显示，编码St基因的 CC-NB-LRR位于玉米的2号染色体上，而编码St基因的CC-NB-LRR则位于玉米和高粱的第5号染色体上。高粱的6个St基因有3对位于一个基因座上。当通过病毒诱导基因沉默(VIGS)沉默高粱的St基因时，抗性明显减弱，实时PCR也证实了这一观察结果[18]。

2020年，ZHANG等[19]首次利用全基因组关联研究(GWAS)，进行了高粱与大斑凸脐蠕孢菌相关抗性基因的鉴定，通过在3种环境中评估的高粱改良体系，共鉴定出 216 个重要指标，检测出 113 个独特的候选基因，其中一些基因在植物防御中具有已知的良性作用。并发现了高粱与玉米具有重合的与大斑凸脐蠕孢菌抗性相关的基因片段。在高粱中还发现了几个很有希望的抗高粱大斑病候选基因，包括与R基因介导的抗性有关的基因。这一发现对减少这一重要病原体造成的损失至关重要。

4.2 化学药剂防治

在发病早期或抽穗期喷施农药，并在喷药期间增加植株的透光和通风。2012—2013年，有研究在自然和人工感染大斑凸脐蠕孢菌的情况下，评估了杀真菌剂对拉脱维亚地区玉米产量的影响。在所有的试验中都观察到杀真菌剂对控制大斑凸脐蠕孢菌的良好效果。125 g/L氟吡菌酰胺、125 g/L丙硫菌唑、75 g/L环氧环唑，75 g/L吡唑醚菌酯处理各组之间没有发现药效的明显差异，对大斑凸脐蠕孢菌引起的高粱大斑病是否亦有效果尚待研究[20]。从紫杆豆中纯化的与防御素序列同源的5 443 Da肽，对大斑凸脐蠕孢菌的菌丝生长也有抑制作用，该研究提供了使用紫杆豆防御素来生产抗真菌药物和/或具有抗真菌性的转基因植物的可能[21]。

4.3 加强田间管理

选择适当的时机秋翻，尽早识别和发现高粱大斑病的发生，把病残株沤肥或者彻底烧毁，减少菌源残留。实行轮作，减少土壤中大斑病菌数量。

4.4 生物防治

栽培栽培抗病品种主要存在生理小种众多而致病性极易变异，田间连续种植单一抗病品种易发生抗性丧失，抗性基因较难挖掘等问题，化学防治则涉及到环境污染和食品安全。近年来，生物防治迅猛发展，有着高效、安全等优势，可以作为真菌病害防控研究和实践的重要发展方向。与其他生物防治方法相比，低毒真菌病毒在生物防治上具有潜在的优势。某些低毒真菌病毒能快速侵染真菌菌落的生长区域进行大量复制，从而抑制病变的扩展。第一次应用到生物防治的真菌病毒是Cryphonectriahypovirus1(CHV1)[22]。20世纪 90 年代，欧洲开始大规模地利用生物防治板栗疫病，并且获得了显著成效。另一个得到实际应用的低毒病毒是华中农业大学姜道宏教授课题组从油菜菌核病的病原菌核盘菌中发现的首单链环状DNA 病毒(Sclerotiniasclerotiorumhypovirulence associated DNA virus 1)SsHADV-1。在田间条件下，SsHADV-1可以降低病害的严重程度，并显著提高油菜籽产量。病毒颗粒在植物的叶片上非常稳定，因为分别在接种后15 d和接种后10 d在受伤的叶片上可以检测到病毒DNA。但是病毒不能感染植物细胞[23]。另外，真菌病毒混合侵染减弱寄主致病性的现象也有报道，例如MOCHAMA 等[24]发现核盘菌DK3菌株的dicer1/2双敲除突变株生长较慢，而hypovirus-related virusSclerotiniasclerotiorumhypovirus 2-Lactuca (SsHV2-L)、SsHADV-1共同侵染突变株后出现其生长更为缓慢、色素沉着减少和菌核形成延迟等表型变化。利用低毒病毒对植物真菌病害进行生物防治被认为是极具潜力的防治策略。高粱大斑病的生物防治尚未见报道。

5 高粱大斑病菌的真菌病毒

作为大斑凸脐孺孢菌的不同专化型，玉米大斑病菌中有5个病毒被鉴定：包括1个低毒病毒(Setosphaeriaturcicahypovirus 1，StHV1)、1个未分类病毒(Setosphaeriaturcicaambiguivirus 1，StAV1)、1个线粒体病毒(Setosphaeriaturcicamitovirus 1，StMV1)[25]、1个镰刀菌病毒(Setosphaeriaturcicafusarivirus 1，StFV1)[26]和1个多分体病毒(Setosphaeriaturcicapolymycovirus 1，StPmV1)[27]。

2022年，在高粱大斑病菌中首次报道了一种新的双链RNA(dsRNA)病毒，其基因组由4个片段组成(dsRNA1-4)。每个dsRNA携带单一的开放阅读框(ORF)，两侧是含有严格保守的末端的5′和3′非编码区(UTRs)。dsRNA1编码的蛋白与Alternariaalternatachrysovirus 1 (AaCV1)的RdRP具有高达80.50%的同源性，属于产黄青霉病毒科(Chrysoviridae)。 dsRNA2编码外壳蛋白，而dsRNA3和dsRNA4分别编码功能未知的蛋白。基于RdRP蛋白的系统发育分析表明，该病毒与产黄青霉病毒科β产黄青霉病毒属(Betachrysovirus)的成员形成一个单系进化枝。综合dsRNA特征、氨基酸序列比较和系统发育分析，该真菌病毒被认为是产黄青霉病毒科的一个新成员，并被命名为Setosphaeriaturcicachrysovirus 1(StCV1)。此外，在StCV1感染和病毒脱毒的高粱大斑病菌株之间，观察到菌落、菌丝和孢子形态的明显差异。病毒脱毒菌株SNJ38-1的菌落形态形成规则的圆形，菌丝密度明显高于病毒感染菌株SNJ38的菌落。相比之下，病毒感染菌株SNJ38的菌落呈现出不规则的构造。显示出异常的菌丝和孢子形态，其菌丝多缠绕，扭曲。孢子无典型的梭状，隔膜分布不均匀(见图2(a)、2(b)、2(c))。StCV1感染也显著降低了菌落生长速度、孢子产生能力(见图2(d)、2(e))和对寄主真菌的毒力(见图3)[28]。随后，研究报道StPmV2是属于多分体病毒科多分体病毒属的一种新的真菌病毒。此外，还鉴定了另外3个高度同源的Setosphaeriaturcicapolymycovirus2(StPmV2)分离株。这4个分离株2个从玉米大斑真菌中分离，2个从高粱大斑真菌中分离。这是第一次发现多分体病毒同时侵染玉米大斑真菌和高粱大斑真菌，且在寄主体内的变异很少，序列高度保守[29]。

注：菌株SNJ38为StCV1侵染菌株；菌株SNJ38-1为脱毒菌株。PDA为马铃薯葡糖糖琼脂培养基。图(d)(e)中不同字母表示差异显著(P<0.05，n=6)。图2 高粱大斑病菌感染真菌病毒菌株与脱毒菌株的生物特性Fig.2 Biological properties of the infected and isogenic virus-cured S.turcica f.sp.sorghi strains

注：图(b)中不同字母表示差异显著(P<0.05，n=6)。图3 接种水和菌种(1×104个/mL孢子悬浮液)7 d后高粱叶片上的病斑图片和病斑形成个数比较Fig.3 Disease spot representative images and histogram of the frequency of flecks formation on sorghum leaf inoculated with water and strains (1×104 conidia·mL-1 spore suspension)at 7 days

检测高粱大斑病原群体中真菌病毒的多样性，分析群体的带毒率及常见真菌病毒的生物学特性；测定2种专化型群体中均存在的真菌病毒，探究能否相互侵染以及侵染的方式；筛选弱毒真菌病毒资源，观察其对寄主的致病力的影响等，都是探究真菌病毒系统演化和生物特性，为高粱大斑病的生物防治提供病毒源材料的有效途径。

6 展望

生物胁迫如真菌感染、病虫害等是影响植物生长发育，限制作物产量和质量的重要原因。致病原与寄主之间的互作机制的研究可为农作物病害防治提供科学依据。在高粱大斑病菌与高粱的互作系统里，针对高粱对高粱大斑病菌抗性基因的筛选，在高粱大斑病菌与高梁大斑病菌真菌病毒的互作系统里，针对低毒力高粱大斑真菌病毒的发现，都是植物学家们在生物科技技术迅猛发展的加持下，在浩如烟海的基因库与病毒库里，通过坚持不懈的基础研究为高粱大斑病的防治提供新思路。