水稻稻曲病研究进展

刘春萍，徐孜，龚洪波，金兴国，魏静，刘婧，张拥军，邱东峰

（1.襄阳市农业技术推广中心，湖北 襄阳 441200；2.湖北省农业科学院粮食作物研究所/粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，武汉 430064）

水稻稻曲病（Rice false smut）是由稻曲菌［Ustilaginoidea virens（Cooke）Tak.］引起的水稻孕穗期穗部的真菌性病害。自1878 年Cooke 首次在印度发现以来，现已广泛分布于亚洲、欧洲、美洲、非洲等水稻主产区的40 多个国家，其中在中国、日本等亚洲国家发生较为严重［1］。近年来，随着全球气候的变暖和杂交水稻的示范推广以及氮肥水平的不断提高，稻曲病的发病率逐年上升，已由水稻次级病害上升为主要病害之一，引起了国内外许多专家学者的关注［2］。稻曲病不仅影响水稻产量和稻米米质，还对人畜的健康构成一定危害，极大地影响了水稻高产稳产和食品安全。水稻稻曲病的防治和抗病机理研究日益成为人们关注和亟待解决的问题。因此，有效控制水稻稻曲病的发生，对中国的稻米品质及粮食安全尤为重要。

1 水稻稻曲病的分布及危害

稻曲病是由半知菌亚门绿核菌属绿核菌［Ustilaginoidea virens（cooke）Tak.］引起的一种水稻穗期病害，又称伪黑穗病、谷花病、青粉病、黑球病等。明朝时期李时珍最早在《本草纲目》中对该病有过记录，称之为“硬谷奴谷穗霉者”。此病属于真菌性病害，多发生在水稻收成好的年份，农民误认为是丰年征兆，故有“丰收果”俗称。近年来在中国及各地稻区普遍发生，且逐年加重，已成为水稻主要病害之一。

稻曲病在世界大多数稻区都有发生，中国早有记载。但20 世纪60 年代前零星发生，危害轻微，不为人们所注意。20 世纪70 年代以来，随着新的高产水稻品种的培育和种植，杂交稻推广面积和施肥水平的提高，此病发生率呈逐年上升趋势，不少地方已造成较大损失。1992年，印度就有部分地区稻曲病发生严重，2000 年已被Haryana 地区列为水稻主要病害之一。据Rush等［2］报道，1997 年美国路易斯安那州稻曲病发病率达15%以上。在中国，70 年代以后，稻曲病的爆发率呈快速增长趋势，并常常导致大流行。谭荫初［3］报道，1982 年湖南省稻曲病发病面积达666 666.7 hm2。秦青龙等［4］报道，2014 年芜湖县稻曲病发病面积为9 400 hm2，占水稻种植总面积的54.2%，单季杂交稻稻田发病面积占55.7%，平均病穗率为20.5%，平均病指为14.64；单季粳稻稻田发病面积占44.7%，平均病穗率为11.7%，平均病指为5.96。研究发现，当每穗病粒数为1～2时，总产量损失率＜10%；每穗病粒数＞3时，损失率达22.7%；每穗病粒数高达10时，总产量损失率可达57.8%。

作为一种穗部病害，水稻稻曲病不仅影响水稻产量和米质，还给稻米的食用安全以及稻田环境的生物安全埋下了隐患。水稻感染稻曲病后，稻穗空秕率增加、千粒重下将，单穗病粒数与产量损失率呈正相关。稻曲病不仅影响病穗本身，而且影响其周围穗粒的养分运输、发育及成熟，从而使得秕谷率增加，结实率和千粒重降低，导致水稻减产，其中病粒率是降低水稻产量的主要因素。人类已经从稻曲球中分离得到了6 种毒素（ustiloxins），分别命名为稻曲菌毒素A、B、C、D、E、F，其中A 和B 是主要毒素。稻曲菌毒素具有热稳定性，100 ℃加热30 min 不能破坏其毒性。稻曲菌毒素对老鼠有致病性，可引起其心脏和肾脏的病变。此外，用感染稻曲病菌的稻米喂食兔和鸡等动物，会引起器官病变；猪食用稻曲病菌后，可引起多处内脏器官的病变，对于母猪而言，还影响其生殖能力［5］。

2 水稻稻曲菌的生物学特征

目前有学者研究认为，稻曲病菌有2 种不同生活阶段：无性世代和有性世代，无性世代为Ustilaginoidea virens（Cooke）Takahshi，属半知菌亚门腔胞纲瘤座孢目绿核菌属；有性世代为Claviceps oryzaesativaeHashikoa，属子囊菌亚门子囊菌纲鹿角菌科拟黑粉菌属［6］。稻曲病主要发生于水稻孕穗期，且稻穗下部发病率显著高于其他部位。病菌侵入花器后，在颖壳谷缝处呈现淡黄色菌块，外面包裹一层光滑的膜状物，随着生长期的延伸，慢慢将花序包裹，外表膜状物也变为银灰色、黄绿色至墨绿色，稻曲病菌成熟时外表膜状物龟裂，散发出墨绿色粉末状厚垣孢子。

稻曲病菌可以产生有性态的子囊孢子和无性态的厚垣孢子、薄壁分生孢子3 种。田间菌核越冬后适宜条件下形成子座，子座长出子囊壳，子囊孢子成熟后便从子囊壳中释放出来；厚垣孢子是稻田间最常见的孢子形态，即采集到的黄色或墨绿色的稻曲球，从内到外依次为白色、黄色、墨绿色3种，圆形或椭圆形，表面不光滑，有许多不规则疣状突起，黄色厚垣孢子萌发率最高，达90%以上，萌发最适温度为25～30 ℃，最适pH 为5.0～8.0，温度低于10℃或高于40 ℃、pH 小于2 或大于12 都会抑制其萌发；黑色厚垣孢子只有打破休眠才能萌发，营养充足条件下大多形成分生孢子，分生孢子呈卵圆形，无色透明的单胞萌发最适温度为22～31 ℃，50 ℃致死，最适pH为6.0～7.0［7］。厚垣孢子和子囊孢子萌发后都可形成分生孢子，陈永坚等［8］研究发现，这3 种孢子都可侵染水稻并且致病。马铃薯培养基最适于孢子萌发，最佳碳源为蔗糖，最适浓度约为2%，其他糖对孢子萌发都有一定抑制作用，而马铃薯煮汁可抵消其抑制作用，说明马铃薯汁中含刺激孢子萌发的物质。紫外线对厚垣孢子的萌发有一定抑制作用，黑暗条件则利于稻曲病菌的生长。

3 水稻稻曲菌的侵染机制

稻曲病菌的侵染机制一直是科研工作者研究重点，目前关于稻曲病的初期侵染源、稻曲病的侵入期、稻曲病的侵染部位与扩散等方面都取得了一定进展。

3.1 稻曲菌的初期侵染源

目前，研究者们对究竟是厚垣孢子还是菌核是稻曲病的主要初侵染源还未得出一致结论，大多数学者认为稻曲菌靠菌核和厚垣孢子附着在土壤和种子上越冬。陈永坚等［8］测定了厚垣孢子的越冬能力，结果表明其仍有萌发能力，对水稻接种后也会发病，认为成功越冬的厚垣孢子有很强侵染力，可能是初期侵染源。Webster等［9］研究报道厚垣孢子是田间可能性最大的初期侵染源。缪巧明［10］研究发现上一年田间成功越冬的菌核能够产生成熟的子囊孢子，所以认为菌核也是初期侵染源之一。Fujita等［11］将薄壁分生孢子接种于孕穗期的水稻也可发病，说明分生孢子是稻曲病循环侵染环节中的一种初期侵染源。Ou［1］报道，子囊孢子和分生孢子可以空气传播的方式在花器上产生局部病斑。杜毅等［12］研究表明稻曲病菌田间二次侵染以气传方式为主。综合国内外研究结果发现，子囊孢子、厚垣孢子和分生孢子在水稻孕穗期都可引发病症，因此许多专家学者认为3 种孢子都是初期侵染源。

3.2 稻曲菌的侵入期

研究者们通过对不同时期水稻接种厚垣孢子试验，研究稻曲病菌的侵染时期，大多数结果表明侵入期是从水稻的孕穗期到破口期［13］。

3.3 稻曲菌的侵染部位与扩散

李阳等［14］分别对芽期、三叶期、圆秆期、孕穗期水稻接种稻曲病菌，芽期用厚垣孢子处理种子，三叶期用厚垣孢子悬浮液侵染水稻根部，圆秆期和孕穗期用分生孢子悬浮液注射茎部，结果发现每个时期接种都可检测到稻曲病菌，这说明稻曲病菌接种后可先在宿主体内潜伏下来，随着水稻生长不断向上迁移，最后迁移到小穗中，在条件适宜时萌发。Ashizawa等［13］对孕穗期水稻接种GFP 遗传转化的稻曲病菌菌株，结果发现，菌丝最先经小穗颖壳顶端间隙进入小穗，在其内部由上到下逐渐形成稻曲球。通过扫描电镜和透射电镜进行观察，发现稻曲菌由花药开裂处裂缝进入花药室，由子房基部延伸到柱头，向上穿出形成菌落，由雌蕊提供生长所需营养。

3.4 稻曲菌侵染过程

根据报道以及田间观察，在稻曲菌开始侵染的过程中并没有明显的病症，直到大约接种15 d 后才在穗上形成肉眼可见的白色真菌球，而且不是所有的穗子可以被稻曲菌侵染。此外，稻曲球开始出现的时间因稻曲菌的品种而异。为了确定稻穗形成可见稻曲球的时间，可在可控条件下对稻穗进行人工接种试验。

发育中的幼穗最易受到稻曲病侵染。在水稻的孕穗期对稻穗进行接种，接种后的第一天就在小穗的外表面检测到稻曲菌菌丝，2～9 d 菌丝快速扩展并形成膜一样的菌丝体缠绕在毛状体以及内稃和外稃之间的部位，同时，内部器官如花药、花丝和鳞片也都有检测到。在花器官上形成克隆之后，稻曲菌开始在穗子的内部疯狂增殖，17 d 后在花器官上覆盖着白色可见的菌丝。此时有部分小穗（约10%）的花药已完全被破坏。20 d后，真菌团继续疯狂地生长，最后从内稃和外稃之间的缝隙钻出来。后期研究发现被稻曲菌侵染的水稻小花不会开放，而且子房也很小，很难完成受精过程。这些研究表明，在被稻曲菌侵染之后，后面的受精过程被阻断了。随着时间的推移，稻曲球逐渐地被黄色覆盖，最后在23～30 d后变成墨绿色［15-18］。

4 水稻与稻曲菌之间的相互作用

随着分子生物学的快速发展，近年来稻曲病的研究取得了较大的进展。稻曲菌（UV-8b）的基因组已经通过二代/三代测序技术完成测序，整个基因组大小约为39.4Mb，共有8 426 个蛋白编码基因。Zhang等［6］用稻曲菌侵染水稻幼穗，通过转录组分析稻曲菌侵染初期基因的表达谱，发现有1 319 个基因上调表达，687 个基因下调表达。其中，发现有18 个效应子蛋白能够抑制寄主的超敏反应，从而引起水稻感病。邵敏等［19］构建了稻曲菌侵染的日本晴材料，发现OsABAM16和OsN1两个基因上调表达。通过GUS 染色以及转基因验证，发现以上2 个基因对稻曲病具有明显的抗性。宋杰辉等［20］报道bZIP［The basic leucine zipper（bZIP）transcription factor（TF）］家族转录因子同样能够响应稻曲病菌的侵染，利用全基因组关联分析（Genome-wide association study，GWAS）共鉴定出28 个基因，其中17 个基因在稻曲菌的不同侵染时期上调表达，8 个基因的表达量在病原菌的侵染下存在明显变化。

晁金泉［21］对稻曲菌侵染的稻穗进行转录组分析，通过排除非生物（干旱、水淹等）以及其他生物（稻瘟病菌、白叶枯病菌以及纹枯病菌等）的胁迫，最终获得7 个水稻受稻曲菌特异调控基因，其中4 个下调表达，3 个上调表达。此7 个基因可能在水稻-稻曲菌互作过程中扮演重要角色，为育种家培育抗稻曲病水稻品种奠定了基础。

5 水稻稻曲病的分子生物学研究

目前，国内外学者对水稻稻曲病已做了大量的研究，包括稻曲菌的致病遗传机制、水稻的抗病遗传机制及抗性基因的鉴定、抗稻曲病水稻品种的筛选鉴定等，并取得了一定的进展。

5.1 水稻抗稻曲病遗传机制及抗性位点的鉴定

方先文等［22］对稻曲病抗病品种早光头粳和感病品种粤泰B 进行了抗性遗传分析。结果表明，水稻抗稻曲病是2 对主基因+多基因的混合遗传模型，第1 对主基因以显性效应为主，加性效应次之；第2对主基因以显性效应为主，但加性效应很弱；主基因抗性遗传率为76.67%，多基因抗性遗传率为22.86%。目前对于稻曲病致病的遗传机制还不清楚，水稻抗稻曲病基因的研究很少。Li等［23］利用感病品种大关稻和抗病品种IR28 构建了157 个重组自交系，进行人工接种，2 年检测到7 个QTL 位点（qFs r1、qFs r2、qFs r4、qFs r8、qFs r10、qFs r11 和qFs r12），依次位于水稻第1、2、4、8、10、11 和12 号染色体上，贡献率为9.8%～22.5%。其中2 个QTL 位点qFs r10 和qFs r12 与徐建龙等［24］用Lemont/特青近等基因系检测到的位点位置相近，推测为同一抗性基因，有望和其连锁的分子标记应用于分子育种选育稻曲病抗性材料。

5.2 水稻抗稻曲病品种的筛选及鉴定

余育超［25］针对在日本晴数据库中检索出的551个抗病基因同源序列（RGA）设计了472 对RGA 引物，对178 份全球水稻微核心种质资源进行检测，检测到其中88 份种质具稻曲病抗性，此外发现五个连锁分子标记9RGA89、RGA306、RGA321、RGA391 和RGA3975 与稻曲病抗性数据显著相关。王连平等［26］田间自然接种浙江金华稻曲病重发区113 个水稻品种。结果发现，常规籼稻和常规粳稻不发病或轻微发病，而杂交籼稻和杂交粳稻发病率高，粳稻发病率高于籼稻发病率。黄瑞荣等［27］鉴定了83 份江西省杂交晚稻区域试验品种（组合）和39 份南方杂交晚稻区域试验品种（组合）的稻曲病抗性。结果发现，不同品种的杂交水稻稻曲病抗性显著不同，大多数感病，其抗性与水稻类型、生育期和配组方式相关。早熟品种高于中熟和晚熟品种，籼稻高于粳稻，三系组合高于两系组合，多数无地域差异，少数有地域差异［18］。

6 展望

水稻作为全球超过50%人口的粮食作物，水稻稻曲病的为害严重影响了水稻的产量以及稻米品质。虽然近年来国内外学者对稻曲病做了大量的研究工作，对稻曲病的分布与寄主、分离与培养、危害与危害机理，尤其是对水稻与稻曲菌的互作进行了深入的研究，但由于苛刻的接种条件以及难以划分的表型，学者至今还没有克隆到重要的抗性基因以及培育出抗稻曲病的水稻材料，这还有待进一步的深入研究。