15 个进口饲用燕麦品种炭疽病的抗病性评价及损失分析

石永红，高鹏，2，方志红，赵祥，韩伟，魏江铭，刘琳，李锦臻

（1. 山西农业大学草业学院，山西 晋中 030801；2. 农业农村部饲草高效生产模式创新重点实验室，山西 晋中 030801；3. 大同千叶牧草科技有限公司，山西 大同 038200）

燕麦（Avena sativa）为禾本科一年生草本植物，是世界性栽培的粮饲兼用作物，分为裸粒型和带稃型两种，前者称为裸燕麦（A.sativavar.nuda）；后者称为皮燕麦，亦称饲用燕麦[1］。2020 年我国饲用燕麦种植面积约42.3×104hm2[2］，是仅次于青贮玉米（Zea mays）和苜蓿（Medicago sativa）的第三大饲草植物。随着国家“退耕还草”“粮改饲”和“发展草牧业”等政策的实施，饲用燕麦种植面积将逐年扩大，对优质、高产、抗逆性强的品种需求不断增加[3］。但截至2021 年，通过国家审定的饲用燕麦品种仅15 个，其中引进品种高达11 个，每年从国外进口的饲用燕麦草种占种子生产总量的30%[2］。

在生产实践中，引进的饲草品种普遍存在适应性差，尤其是抗病性不强等突出问题[4］。近年来，对我国山西、内蒙古、河北等燕麦主产区病害的调查发现，由禾谷炭疽菌（Colletotrichum cereale）引致的叶部炭疽病发生非常普遍，尤其在使用进口饲用燕麦品种进行大规模商业化连作种植的地区呈爆发流行特点，发病率最高达100%[5］。此外，该病害在美国、加拿大、巴西以及我国的新疆、青海、甘肃等燕麦主产区也有报道[6］，已成为危害燕麦生产的世界性病害。鉴于饲草自身的特点及经济、环境和食品安全等因素，选育和利用抗病品种是防控病害优先采用的方法，对保证草牧业绿色可持续发展具有重要意义[7］。但目前国内外尚未针对燕麦炭疽病选育抗病品种，我国也未对进口品种开展抗病性评价。

据统计，病、虫、杂草等有害生物每年给全世界农业生产造成20%~40%的损失[8］；20 世纪80 年代，美国每年因病害引致的各类草地生产损失率约26%[9］。已有研究证实，冠锈病（Puccinia coronataf.sp.avenae）[10-11］、白粉病（Erysiphe graminisf. sp.avenae）[12-13］等活体寄生真菌引致的叶部病害可使燕麦单位面积的籽粒产量降低2%~36%，草产量降低40%；壳多胞叶枯病（Stagonospora avenae）等兼性寄生真菌病害可使燕麦籽粒产量降低9%~20%[14］。对多种饲草植物的研究表明，叶部病害不仅造成草产量损失，而且严重影响其品质，降低粗蛋白、粗脂肪、钙、磷、钾等营养物质的含量[15-17］。相比农作物，饲草生产者对病害问题的了解和重视程度不高，尤其是炭疽病给世界范围内燕麦生产造成的损失尚不明确。因此，研究炭疽病对饲用燕麦产量和品质造成的危害，有助于提升饲草生产者对病害问题的认识和重视程度，为确定病害防治经济阈值以及政府决策提供科学依据[18］。

山西省是裸燕麦的起源地之一，也是我国饲用燕麦的主产区，燕麦种植面积约占全国的13%，其中80%以上为进口品种[19］。目前，炭疽病已成为该地区饲用燕麦上发生的最主要病害，严重影响燕麦草产品的饲用价值、经济收益和种植者的积极性[20］。鉴于此，本研究选择该地区对我国广泛推广种植的15 个进口饲用燕麦品种开展炭疽病的田间抗性评价，并以此为基础，选择感病品种评估炭疽病造成的危害损失，以期为饲用燕麦生产过程中品种选择和炭疽病的防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于山西省朔州市朔城区山西农业大学红旗牧场（39°11′59″ N、112°27′02″ E，海拔1139 m）。前期病害普查发现田间仅有炭疽病，且病原鉴定为禾谷炭疽菌[5］。该区域属于温带半干旱大陆性季风气候，地势平坦，土壤类型为砂壤土。年平均气温6.9 ℃，最高气温34.5 ℃，最低气温-32.4 ℃。年平均降水量423 mm，主要集中在6-9 月。试验地土壤基本理化性质见表1。前茬作物为玉米。

1.2 试验材料

供试的15 个进口饲用燕麦品种均在美国和加拿大登记注册，并引进在中国大面积推广种植，其中黑玫克（Haymaker，亦称牧王）和爱沃（Everleaf）品种已通过全国草品种审定委员会审定，各品种名称及来源见表2。

表2 燕麦品种及来源Table 2 Name and sources of oat varieties

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，每个小区面积5 m×5 m，四周设1 m 的保护行。15 个饲用燕麦品种于2021 年5 月20 日播种，播种前精细整地，按照0.09 kg·m-2施足底肥[CH4N2O∶（NH4）2HPO4∶（NH4）3PO4=13∶10∶10］，人工开沟并进行条播，行距20 cm，播深3~5 cm，播种量18 g·m-2。分别于苗期、拔节期进行灌溉和人工去除杂草。每个品种设3 次重复。

1.4 抗病性评价

目前尚无燕麦炭疽病抗性鉴定的分级标准，基于前期病害调查基础，并参照高粱（Sorghum bicolor）[21］、苜蓿[22］、黄麻（Corchorus capsularis）[23］等作物炭疽病的分级标准，分别以反应型和病情指数为指标制定了饲用燕麦炭疽病抗性分级标准，如表3 所示。

表3 饲用燕麦炭疽病抗性分级标准Table 3 Score of resistance to anthracnose of oat

饲用燕麦炭疽病为自然发病，于收获前14 d，即8 月15 日（乳熟期）进行抗病性评价。采用“对角线法”调查各品种病害的发生情况，每条对角线随机选择50 株燕麦，每株分下部（0~10 cm）、中部（10~50 cm）和上部（>50 cm）随机选择1 片叶，观察症状并拍照，记录反应型，若发现有不同反应型，只记载最高反应型并赋值，便于进行聚类分析；采用“目视法”判读病斑面积占叶面积的百分率，即严重度，严重度分级标准为：0 级，无症状；1 级，0.1%~5.0%；2 级，5.1%~25.0%；3 级，25.1%~50.0%；4 级，50.1%~75.0%；5 级，75.1%~100.0%[20］。统计发病叶片数并计算发病率和病情指数[15］。分别根据反应型和病情指数确定每个饲用燕麦品种对炭疽病的抗性。

1.5 地上生物量及株高测定

为保证采集到充足的病害植株样本，更好地反映炭疽病对饲用燕麦产量和品质的影响[15］，选择发病最为严重的科纳品种，评价不同发病程度炭疽病对地上植株造成的危害损失，发病程度分级见表4。

表4 饲用燕麦炭疽病发病程度分级Table 4 Score of occurrence degree to anthracnose of oat

病害调查结束后，在每个科纳品种种植小区随机选择200 株，齐地面剪下植株后带回室内，立即采用“目视法”逐一判读每一株上所有叶片的炭疽病严重度，计算病情指数，按照表4 所示划分发病程度。每种发病程度植株留取20 株，使用直尺测量每株的绝对高度；然后将叶片、茎秆和穗进行分离，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，再将样品65 ℃烘干至恒重，分别称量各器官干重。

1.6 常规营养成分测定

将不同发病程度植株的各器官混合后，使用超纯水冲洗3 次，置于75 ℃烘箱中烘干至恒重。将烘干样品用高速粉碎机（DE-100g， 中国）粉碎后，使用球磨仪（MM400， Retsch， 德国）充分磨细，留取50 g 置于干燥皿中保存，用于常规营养成分的测定。

采用索氏脂肪提取法测定粗脂肪含量[24］；采用Van Soest 纤维法测定中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量[25］；采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量；分别使用全自动流动分析仪（HGFI-10， 中国）和全自动氨基酸分析仪（L-8900， Hitachi， 日本）测定磷和总氨基酸含量；分别采用600 ℃高温灼烧法和原子吸收光谱法测定粗灰分和钙的含量[26］。

1.7 损失分析

饲用燕麦地上全株用于饲喂牲畜，因此病害对单位面积草产量造成的损失即为对单株干重造成的损失，不同发病程度炭疽病的草产量损失率计算公式[15］如下：

饲料相对值是广泛用于评价粗饲料质量的指标，该值越高，说明牧草的饲用价值越高，计算公式[26］如下：

式中：DM 为干物质（dry matter）；BW 为动物代谢体重（body weight）。

饲用价值损失率计算公式如下：

1.8 数据分析

用SPSS 22.0 对数据进行统计分析，用Origin 2021 作图。使用最小显著差数（LSD）法对不同品种发病率和病情指数以及不同发病程度的产量和品质指标进行单因素方差分析，差异显著水平设为P=0.05。依据反应型、发病率和病情指数，对不同饲用燕麦品种抗性进行聚类分析，聚类距离采用欧式距离，聚类方法采用最长距离法，欧式距离7.0 作为聚类分割点[27］；根据反应型法和病情指数法确定的抗性结果，确定聚为一类品种的抗病级别。对不同发病程度饲用燕麦的产量、品质指标、草产量损失率和饲用价值损失率与相应病情指数中值进行线性或非线性回归分析[17，28］，估计方程模型数。

2 结果与分析

2.1 炭疽病抗病性评价

15 份进口饲用燕麦品种均在7 月上旬开始发病，8 月中下旬达到峰值，且均观察到炭疽病症状，其田间典型症状及反应型如图1 所示。太阳神（OV1）、爱沃（OV2）、领袖（OV3）和蒙特（OV13）等品种的炭疽病病斑呈梭形，周围有狭窄黄晕，属抗病材料。黑玫克（OV4）、大富翁（OV5）、莫妮卡（OV7）、摄政王（OV8）、海威（OV10）、三星（OV11）、牧乐思（OV12）和魅力（OV14）品种的炭疽病病斑呈梭形，周围有明显枯黄症状，部分病叶的病斑可从叶尖端或边缘逐渐扩展成长条形，属低感材料；燕王（OV6）和梦龙（OV9）品种病叶的病斑呈大梭形或长条形，且相互融合形成大面积坏死斑，属感病材料；科纳（OV15）品种多数从叶尖端或边缘发病，与密集的梭形或不规则病斑快速融合，导致整个叶片枯死，属高感材料。

图1 进口饲用燕麦品种炭疽病的田间典型症状及最高级反应型Fig.1 Typical symptom and infection type to anthracnose of oat varieties in field

15 份进口饲用燕麦品种的发病率和病情指数存在差异，分别为8%~44%和2.3~15.6（图2）。科纳（OV15）的发病率和病情指数均最高，且病情指数>15，显著高于（P<0.05）除梦龙（OV9）以外的其他品种，属高感材料；梦龙（OV9）的病情指数为11.8，属感病材料；太阳神（OV1）、爱沃（OV2）、领袖（OV3）和蒙特（OV13）品种的病情指数分别为2.3、4.3、4.5 和2.9，均<5.0，属抗病材料；其余品种均为低感材料。

图2 进口饲用燕麦品种炭疽病的田间发病率和病情指数Fig.2 The disease incidence and disease index of anthracnose of oat varieties in field

采用发病率、病情指数和反应型3 个指标对15 份进口饲用燕麦品种进行抗性聚类分析（图3）。结果表明，15 个品种共划分为4 个大类，其中太阳神（OV1）、爱沃（OV2）、领袖（OV3）和蒙特（OV13）品种聚为一类，为 抗 病 材 料；莫 妮 卡（OV7）、摄 政 王（OV8）、海 威（OV10）、三星（OV11）、牧乐思（OV12）和魅力（OV14）品种聚为一类，为低感材料；黑玫克（OV4）、大富翁（OV5）、燕王（OV6）和梦龙（OV9）品种聚为一类，为感病材料；科纳（OV15）品种单独聚为一类，为高感材料。

图3 进口饲用燕麦品种炭疽病抗性的聚类分析Fig. 3 Resistance clustering analysis to anthracnose of oat varieties

利用反应型和病情指数进行抗性评价时，除燕王（OV6）品种抗性表现不一致外，其余品种的抗性均相同；采用聚类法进行抗性评价时，黑玫克（OV4）和大富翁（OV5）品种的抗性与其余两种方法不同，燕王（OV6）品种的与病情指数法的不同（表5）。

表5 进口饲用燕麦品种对炭疽病的抗性评价Table 5 The resistance evaluation of oat varieties against anthracnose

2.2 炭疽病对饲用燕麦地上生物量及株高的影响

科纳品种饲用燕麦发病植株的叶片干重、茎秆干重、穗干重和株高均随发病程度的增加呈下降趋势（图4）。中度和重度发病植株的叶片干重较健康植株显著降低12.7%和23.1%（P<0.05），茎秆干重较健康植株显著降低25.5%和37.3%（P<0.05）；重度发病植株的穗干重较健康植株显著降低26.4%（P<0.05）；中度和重度发病植株的株高较健康植株显著降低11.3%和16.5%（P<0.05）。

图4 科纳品种饲用燕麦炭疽病不同发病程度植株的干重和株高Fig.4 Dry weight and plant height of Kona oat with different occurrence degree of anthracnose

2.3 炭疽病对饲草品质的影响

随发病程度的增加，科纳品种饲用燕麦植株的粗蛋白、总氨基酸、粗灰分和磷的含量均呈下降趋势，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量呈升高趋势，钙含量呈先增加后降低趋势（图5）。中度发病植株的粗蛋白、总氨基酸、粗灰分、磷含量分别较健康植株显著降低7.2%、26.5%、9.0%、12.8%（P<0.05），重度发病的植株则显著降低11.1%、44.5%、16.0%、20.8%（P<0.05）；中度发病植株的酸性洗涤纤维含量较健康植株显著增加6.4%（P<0.05），重度发病植株的中性和酸性洗涤纤维含量则显著增加11.9%、10.0%（P<0.05）；中度发病植株钙含量较健康植株显著增加8.6%（P<0.05）。

图5 科纳品种饲用燕麦炭疽病不同发病程度植株的常规营养成分Fig.5 Nutritional content of Kona oat with different occurrence degree of anthracnose

2.4 炭疽病对饲用燕麦的损失分析

如表6 所示，炭疽病对科纳品种饲用燕麦的草产量和饲用价值造成不同程度的影响，损失率分别为7.5%~28.1%和3.2%~15.9%，且随发病程度的增加，损失率呈逐渐增加趋势，其中草产量损失率的差异达显著水平（P<0.05）。

表6 炭疽病对科纳品种饲用燕麦的草产量和饲用价值损失率Table 6 Loss ratio of dry yield and relative feed value to anthracnose of Kona oat （%）

回归分析表明，科纳品种饲用燕麦的地上生物量、株高、6 种常规营养成分、磷含量、草产量损失率和饲用价值损失率均与病情指数中值具有显著的线性关系（P<0.05），钙含量与病情指数中值呈显著的二次函数关系（P<0.05）（表7）。

表7 炭疽病病情指数中值与科纳品种饲用燕麦产量和营养成分等指标的回归方程Table 7 Regression analysis between the middle value of disease index and the yield and nutrient content of Kona

3 讨论

病菌侵染寄主形成的病斑类型，即反应型，通常被认为是病菌和寄主之间亲和程度的外部表现，能准确反映病菌的致病力强弱和寄主的抗性水平[29］。禾谷作物上发生的一些兼性寄生真菌病害，如小麦（Triticum aestivum）和大麦（Hordeum vulgare）叶枯病（Bipolaris sorokiniana）[30-31］、玉米灰斑病（Cercospora zeay-maydis）[32］等，以反应型为依据完成了不同品种的抗病性鉴定。但反应型在植物炭疽病抗性研究上的应用不多[23］，在燕麦炭疽病研究中尚未见报道。过敏性坏死是寄主植物限制病原侵染产生的一类抗病反应[33］，依据病原类型和致病方式的不同，症状存在差异。如高抗燕麦品种对冠锈菌[34］和白粉菌[35］产生的过敏性坏死表现为病斑周围具有褪绿症状。本研究通过对15 份饲用燕麦品种田间症状的观察，未发现典型的过敏反应。但前期对我国燕麦病害调查发现，一些地方品种的炭疽病病斑呈小型紫色水渍状，或者部分梭形病斑具有紫褐色边缘，通过显微观察确定为过敏性坏死。这 种 因 发 生 过 敏 反 应 产 生 的 变 色 症 状 在 柱 花 草（Stylosanthes guianensis）[36］、苜 蓿[37］和 草 莓（Fragaria ananassa）[38］等植物炭疽病上也有报道。炭疽菌为典型的兼性寄生真菌，能分泌细胞壁解聚酶（depolymerase）和多糖（polysaccharide）、糖蛋白（glycoprotein）、萜类化合物（terpenoid）等植物毒素裂解或杀死寄主细胞。对抗病能力弱的植物个体，次生菌丝在叶片内快速拓展致使整个病叶枯黄[39-40］。本研究涉及的进口饲用燕麦材料中，有近80%的品种均存在这种感病症状，其中科纳品种在发病高峰期，中、下部叶片出现大量因罹患炭疽病导致的枯死现象。

由于病菌生理小种、侵染时期、生长环境和品种鉴别品系等因素的影响，寄主植物在田间的病害症状表现非常复杂[41］，因此田间调查时仅选择最高反应级作为抗性评价的依据，但需要具备较高的专业知识和实践经验才能准确划分反应型。发病率、严重度和病情指数是反映病害发生程度的常用指标，能快速、简便地评价植物的抗病能力，应用也最为广泛。研究表明，发病率、严重度和病情指数之间具有很好的线性关系[42-43］，在生产实践中常选择一种用于抗病评价。除燕王（OV6）外，本研究采用反应型和病情指数对不同品种炭疽病的抗性评价结果相同，表明这两种指标具有很好的一致性。聚类分析是从数量方面对植物抗病性的亲疏程度进行分类研究的方法[44］。王雪莲等[27］采用系统聚类法分析了柑橘属（Citrus）种质对炭疽病的抗性，并与病斑直径法和病情指数法的结果进行了比较，发现3 种方法所得结果基本相同。本研究在使用聚类分析法评价饲用燕麦对炭疽病抗性时，综合了反应型、发病率和病情指数3 种数量指标，除黑玫克（OV4）、大富翁（OV5）和燕王（OV6）外，其余品种所得结果与反应型法和病情指数法的结果一致。事实上，低感品种黑玫克（OV4）、大富翁（OV5）、燕王（OV6）与感病品种梦龙（OV9）之间的发病率和病情指数并无显著差异，且田间反应型均以典型的大梭形病斑为主。后续研究中，如果只是以筛选抗病品种为目的，在划分燕麦炭疽病抗性分级标准时，建议将低感并入感病一级，仅与高感进行区分即可。

本研究采用3 种抗性评价方法，均鉴定出相同的4 个抗病品种，仅占总数的27%，未发现中抗及以上品种。这主要是由于美国、加拿大、澳大利亚等燕麦主产国针对冠锈病、秆锈病（Puccinia graminis）、黑穗病（Ustilago segetum）、白粉病等世界性病害选育抗病品种[6］，对于区域性流行病害缺乏关注。此外，炭疽菌复合种（species complexes）存在广泛的种内遗传变异性，使得植物很难长期保持抗性[45］。我国燕麦育种工作起步较早，已拥有地方和引进种质资源5282 份[46］。近年来，学者针对内脐蠕孢叶斑病（Drechslera avenae）[47］、秆锈病[48］、白粉病[49］、黑穗病[50］、病毒性红叶病（barley yellow dwarf virus）[51］开展了燕麦种质的抗病性评价，在地方品种中发现了中抗及以上的抗病材料。本研究后续将在全国范围内开展地方品种对炭疽病的抗性评价，充分挖掘抗病能力强的优异种质及基因资源。

饲用燕麦全株均可被家畜采食，其中茎、叶的营养价值较高，干物质消化率在75%以上，而籽粒一般用于生产家畜精饲料[52］。本研究结果表明，炭疽病均显著降低了茎、叶、籽粒的生物量，损失率分别为12%~37%、5%~23%、6%~26%，且随发病程度的增加呈线性升高趋势。大量研究证实病原侵染寄主后，通过降低气孔导度[53］、抑制光合电子传递、减少光合色素含量、降低光合作用酶活性[54］等途径造成光合同化产物损失，进而影响其生物量。不同类型病原对生物量造成的损失存在差异，活体寄生病原仅影响病变部位的光合作用[55］，损失相对要低，如长芒草锈病（Uredospp.）的生物量损失率为14%[16］；炭疽菌等兼性寄生病原还能通过毒素扩散影响健康组织[56］，因此损失率相对要高，如苜蓿炭疽病的生物量损失率为27%[15］。本研究结果表明，炭疽病给饲用燕麦造成的生物量损失率最高达28%，与前人研究结果基本一致。此外，炭疽病在降低籽粒生物量的同时，可能对种子活力产生不利影响，在燕麦种子生产中要高度重视此类病害，及时采取科学有效的防治措施。

饲用燕麦的最佳收获时间为乳熟期至蜡熟期，可以获得较高的干物质产量，而且消化率和蛋白质含量也较高[52］。根据中国燕麦草干草质量分级标准，A 型燕麦干草最低等级要求粗蛋白含量高于8%，中性和酸性洗涤纤维含量分别低于65%和40%。本研究选取的进口“科纳”品种，乳熟期健康植株的粗蛋白、中性和酸性洗涤纤维含量分别为9.2%、46%和42%，是价值较高的商品草。但严重发病的燕麦植株粗蛋白含量下降至8.2%，中性和酸性洗涤纤维含量分别升高至52%和46%。饲草（料）相对值是一种简单、实用的粗饲料评价指标，根据其分级标准[57］，健康“科纳”品种饲草属于2 级（103~124），但中度及以下发病植株的饲草相对值为94~101，降为了3 级（87~102）。可见，炭疽病严重影响了饲用燕麦草产品的饲用价值和经济收益。此外，研究表明炭疽菌可分泌约109 种次生代谢产物，其中4-chloroorcinol 和colletochlorin F 等毒素可能造成采食家畜的消化系统紊乱甚至中毒死亡[58］。后续将对燕麦炭疽菌毒素进行测定和分析，全面评估其危害性。

燕麦等草地系统中，由于其自身的特点及经济、环境和食品安全等因素，优先倡导和开发病害的可持续管理技术，将为害水平调节并保持在经济阈值水平之下，从而达到提高草地整体生产力和稳定性的目的[18］。在确定病害防治的经济阈值前，需要建立病情指数与产量损失率的数学模型，并获得计算经济阈值所需的参数[59］。如王淑英等[60］通过两年的田间试验，确定了甘肃蚕豆（Vicia faba）赤斑病（Botrytis fabae）和轮斑病（Cercospora zonata）发生的病情指数与产量损失率之间的数学关系，并利用回归方程的斜率和截距计算出病害防治的经济阈值。本研究首次获得了燕麦炭疽病病情指数与产量损失率之间的线性模型，同时发现其与草品质指标之间也存在显著的相关性，这与对苜蓿炭疽病[15］和豆科牧草锈病[17］的研究结果一致，为生产实践中开展病害的产量损失预测和防治技术研究提供了理论依据。

4 结论

本研究采用反应型法、病情指数法和聚类分析法，均鉴定出相同的4 个抗病品种，分别为太阳神、爱沃、领袖和蒙特，未发现中抗及以上品种，也未观察到典型的过敏性坏死反应，需进一步从我国地方品种中挖掘抗病能力强的优异种质。炭疽病降低了感病燕麦品种地上部分各器官的生物量，引致7.5%~28.1%的产量损失；同时降低了粗蛋白、总氨基酸、粗灰分和磷的含量，降幅分别为2.8%~11.1%、5.9%~44.5%、3.2%~16.0% 和4.8%~20.8%；增加了中性和酸性洗涤纤维的含量，增幅分别为1.9%~11.9%、2.1%~10.0%。总之，炭疽病严重影响了饲用燕麦的产量、品质和饲用价值，在生产实践中要高度重视该病害，及时采取科学有效的防治措施。