甜菜褐斑病研究进展及防治措施

孙博微,吴则东

(黑龙江大学现代农业与生态环境学院,哈尔滨 150080)

0 引言

糖甜菜(BetavulgarisL.)是苋科、甜菜属的二年生草本植物,营养物质丰富[1]。糖甜菜全株光滑无毛;根肥大;基生叶大,茎生叶较小;花小,两性;单胚种子扁平,双凸镜状,多胚种子为不规则球形;花期5-6月,果期7月。甜菜原产于欧洲西部和南部沿海,从瑞典移植到地中海沿岸,中国的糖用甜菜种植起始于1906年,是我国主要的经济作物,糖用甜菜主要种植在中国的东北、华北和西北等地[2]。由于黑龙江省的土壤有机质含量高,团粒结构好,土质松软,有利于甜菜根系的发育,所以黑龙江省是我国糖用甜菜的主产区之一。栽培甜菜根据用途不同,现在种植的甜菜类型主要有糖用甜菜、饲用甜菜、叶用甜菜和食用甜菜等[3]。随着中国人口的增加以及居民饮食结构的改变,糖用甜菜作为重要的榨糖原料,需求量也在逐年增多[4]。

甜菜病害对甜菜的含糖率和块根产量都会产生影响,甜菜病害的类型主要有两种,一是病毒病害,较常见的是丛根病、黄化毒病和曲顶病;二是真菌性病害,主要有褐斑病、叶斑病、霜霉病和根腐病[5]。其中甜菜褐斑病在世界各甜菜种植区均有发生,西欧、中欧、巴尔干和美国的中、西部地区分布最广,危害最重;在我国各甜菜产区均有发生,是我国东北、西北、华北三大甜菜产区的主要病害[6]。为此研究并防治甜菜褐斑病尤为重要,本文通过对甜菜褐斑病的发病原因和研究进展进行分析并得出结论,在了解甜菜褐斑病的研究现状后提出未来对于褐斑病研究的展望。

1 甜菜褐斑病的症状识别

甜菜褐斑病(Cercosporaleafspot)是通过甜菜尾孢菌(Cercosporabeticola)侵染甜菜后所导致的甜菜真菌病害。甜菜褐斑病主要分布在种植甜菜的潮湿温带地区,它在希腊、意大利北部、西班牙北部、南斯拉夫、奥地利、法国南部、日本、中国、密歇根州(美国)和其他地方造成了特别严重的破坏[7]。甜菜尾孢菌是真菌界、半知菌亚门、不完全菌纲、丛梗孢目、尾孢科、甜菜尾孢菌属[8]。由甜菜尾孢菌引起的甜菜褐斑病症状初期是在叶片上产生褐色小斑点,随后初期的病变组织枯死,斑点中间呈灰棕色至银灰色,末期斑点会渐渐变大成3 mm左右的红棕色边的圆形病斑,明显区别于健康的组织[9-11]。在病斑上,有时会有白黄色的覆盖,而在病斑的黑色小点上可发现甜菜尾孢菌的分生孢子及分生孢子载体。与其他导致甜菜患病的真菌不同,甜菜尾孢菌会优先从患病部位由内到外入侵,使得甜菜叶片的坏死[12]。甜菜尾孢菌进入甜菜体内后,一开始的时候甜菜组织上没有任何变化,随着甜菜尾孢菌的侵入,甜菜组织发生腐烂,病变的叶片部位会有众多斑点带红色或棕色的圆环,硬实不会脱落,随着病变部位的组织溃烂及植物毒素的影响会使斑点逐渐扩大,病斑逐渐连成一片,最后使叶片的脱落[13]。

2 甜菜褐斑病发病规律

甜菜褐斑病在我国各甜菜产区均有发生,主要可侵染甜菜的叶柄、叶片和种球,病斑常连成大片,降低植株的光合作用,影响块茎的增大和糖分的积累,严重时导致植株死亡。通常情况下甜菜在温度二十度、湿度七成以上更容易感染甜菜褐斑病[14]。在黑龙江省褐斑病的发病时间一般从7月初持续到9月中下旬[15]。感染病害后可导致甜菜根产量降低10%-20%,含糖率大幅度下降,严重时叶片全部枯死,造成整个田块绝收[16]。甜菜尾孢菌主要留存在患病叶片的基质中,其可以通过分生孢子进行侵染,分生孢子可以通过开放的气孔侵入叶的薄壁组织,在通过气孔进入叶片内部后,尾孢菌会破坏叶片细胞的细胞壁,并在这些薄壁组织结构中增殖,并在细胞间生长产生毒素,导致细胞坏死[17-18]。坏死的叶片又会掉落并覆于土表,干枯的叶柄还附于植株上,外围叶片死亡后发出新叶会使生长点上移形成菠萝形根冠部,随着时间的推移带有甜菜尾孢菌的叶片以及根冠部被埋入土中,会成为分生孢子发育的场所,等待下一次利用风雨传播再次侵染其他甜菜,进而造成甜菜大面积患病[19]。

3 甜菜褐斑病的研究进展

傅淑云等[20]分别从不同培养基、温度、酸度以及病菌越冬后土壤厚度和越冬场所对甜菜褐斑病的影响进行了系统的论述,得出了褐斑病的传播与高温多湿有着密切的关系。在甜菜褐斑病现有的研究来看,主要还是以甜菜褐斑病的防治为主要研究方向,以下将分为甜菜褐斑病抗病菌分析、甜菜抗褐斑病基因的分析、外界因素影响甜菜褐斑病情况以及甜菜褐斑病的综合防治这四个方面介绍近年来对于甜菜褐斑病的研究进展。

3.1 病原真菌的研究方法

甜菜病害中六成以上是由病原真菌引起的,其中病原真菌种类繁多,它们的结构以及侵染方式都各不相同,所以深入了解病原真菌,对于防治甜菜真菌病害具有重要的理论和实践意义。刘梅等[21]为了测定杀菌剂对甜菜褐斑病的田间防治效果,从甜菜中提取出甜菜尾孢菌,采用菌丝生长速率法测定甜菜尾孢菌对多菌灵、苯醚甲环唑以及氟硅唑这三种杀菌剂的敏感性,最后发现甜菜尾孢菌已经对这些杀菌剂出现了一定程度的敏感性下降或抗药性现象。刘宇[22]则通过对甜菜叶片细胞超微结构的观察,了解了甜菜尾孢菌侵染甜菜叶片的过程,并对甜菜尾孢菌进行了详细的转录组分析,得出植物激素信号转导、苯丙素生物合成、植物与病原体的相互作用、谷胱甘肽代谢这几种基因与甜菜抗褐斑病关联性高。

3.2 甜菜抗褐斑病基因的分析

甜菜育种中常用的褐斑病抗性由至少4到5个基因来控制,其影响取决于感染的严重程度[23]。从遗传学上来看,通过发现分析真菌病害抗性基因,对抗病基因进行克隆培育出品质好、抗性高的品种,才能从根本上防治甜菜褐斑病。丁广洲等[24]通过抗褐斑病种质的细胞超微结构观察,着重研究了存在抗褐斑病基因的种质细胞与患病的种质细胞之间细胞结构的区别,结果表明患病细胞内部各结构均发生变形,而抗病细胞内结构相对完整。刘大丽等[25]利用RT-PCR 技术,分别对AtChitinase1和AtGlucanase2这两类抗褐斑病基因的功能域进行了克隆,获得两个抗病基因功能片段,为以后对甜菜褐斑病的遗传研究奠定了坚实基础。VAGHEFI等[26]通过基因鉴定来分析甜菜感染甜菜褐斑病的途径,得出甜菜与褐斑病群体缺乏遗传分化,种群之间存在生殖隔离,患病甜菜是传播甜菜褐斑病的来源之一。

3.3 外界因素对甜菜褐斑病的影响

为了有效控制甜菜褐斑病,对外界因素研究是必不可少的,充分研究了解甜菜褐斑病与外界因素的关系,可以准确的制定防治策略,对防治甜菜褐斑病具有重要的意义。杨安沛等[27]通过分析温湿度、降雨量、阴晴天数等气象因素与甜菜褐斑病病情的关系,发现气温是影响该病的基本因素,气温平均在22度左右有利于病害的侵染,而湿度、阴晴天数在整个病害发展过程中关系较小,但在特定条件下非常容易导致病害的迅速传播。乔志文[28]为了摸清甜菜褐斑病发生与时间因素的关系,采用田间定期调查甜菜褐斑病病情指数的方法,调查近年来各个时间段不同因素对病情指数的影响,得出了甜菜褐斑病病情发展在9月上旬处于高峰期,同时受温度和降雨条件双重影响的结论。乔志文等[29]调查了黑龙江省10个地区的甜菜褐斑病病情指数,为以后找寻不同地区所适应的高抗品种提供了有力支撑。

3.4 甜菜褐斑病的综合防治

甜菜褐斑病的相关研究中,以甜菜褐斑病的发生及防治占绝大多数,甜菜褐斑病是由甜菜尾孢菌引起的真菌性病害,在防治方面上也很难完全遏制病害。主要的防治方法分为选取种植抗病品种、农业防治、生物防治以及化学防治。

3.4.1 选取种植抗病品种

在世界上所有褐斑病经常发生的国家绝大多数都在培育甜菜抗褐斑病品种[30]。选取种植抗病品种同样不仅有较高的经济效益,而且可以避免或减轻因使用化学药剂而造成的残毒和环境污染问题。由于目前还没有研发出不受褐斑病病害侵染的品种,甜菜褐斑病仍然是影响甜菜含糖率和块根产量的一个重要因素,正是因为培育甜菜抗褐斑病品种的过程中很难保证甜菜的抗病性和含糖率成正比,在遗传单胚杂交中,杂交种通常比其多代母本更易感染甜菜褐斑病[31]。LEUCKER等[32]利用高光谱成像技术,选取5种不同感病性的甜菜进行田间抗病试验,来观察各甜菜的患病程度。乔志文[33]为了选取高抗褐斑病性的优良甜菜品种,对15种商用甜菜的褐斑病病情指数、含糖率进行调查测定,结果表明,KWS1197的甜菜品种具有抗病性强、含糖率高等特点。

3.4.2 农业防治

农业防治措施在绝大多数情况下是结合耕作栽培管理措施来防治病害,通过改变土壤的透气性、肥力以及播种时间等来防治甜菜褐斑病。农业防治与其他防治措施具有良好的可协调性,农业防治与化学防治或生物防治的矛盾较小,易互相配合达到更好的防治效果。例如戴继宇[34]分别从甜菜褐斑病的症状、病原菌的传播和侵染、发病条件以及防治措施等这四方面对甜菜褐斑病进行了浅要解析,得出由于地方差异较大防治甜菜褐斑病的措施要因地制宜,农业防治上实行4年以上轮作,及时清理残株病叶可有效减少土壤中的病菌数量。潘海光等[35]对甜菜褐斑病的现状进行了研究发现适当晚播可以推迟发病时期和减轻损失,及时疏松土壤,合理施肥,可以提高植株抗病能力,减轻甜菜褐斑病的发生。

3.4.3 生物防治

生物防治是利用生物间的拮抗作用防治目标病害的一种方法。其简单、高效、对环境友好且对病害的控制成本较低,是病害防治的绿色良药。史应武等[36]研究发现,多粘芽孢杆菌对甜菜褐斑病有抑制作用,且对甜菜的生长有促进作用。RICARDO等[37]通过对接种后不同时间段采集的叶片样本中进行分光光度测定,研究壳聚糖(CHT)以及抗性诱导剂(ASM)对甜菜褐斑病的防治效果,研究表明当甜菜喷洒一定浓度的壳聚糖时,可有效降低甜菜褐斑病的严重程度,同时1 mg/mL的壳聚糖能强烈抑制甜菜褐斑病的生长,更高浓度的壳聚糖对菌丝生长的抑制并无改善,抗性诱导剂在50 mg/mL的浓度下可以增强对病害的控制。

3.4.4 化学防治

由于甜菜高度抗病品种的产量、含糖率和总的经济效益比较低,高产和高糖的品种仍是主要的种植品种,但这些品种普遍抗褐斑病的能力有限,在褐斑病发生严重的地区,化学防治是目前防治甜菜褐斑病、提高经济效益最有效的方法。被广泛应用于防治甜菜褐斑病的化学药剂可分为二硫代氨基甲酸盐类[38]、有机锡类[39]、苯并咪唑类[40-41]、甾醇脱甲基化酶抑制剂类[42-44]、甲氧基丙烯酸类[45]等5类,代表性药剂分别为代森锰锌、三苯基乙酸锡、多菌灵、苯醚甲环唑、吡唑醚菌酯[46-47]。

李艳丽等[48]通过不同药剂不同浓度的田间对比试验,发现不同种类不同浓度的杀菌剂对甜菜褐斑病均有一定抑制作用,防治甜菜褐斑病效果最好的杀菌剂是甲基硫菌灵与吡唑醚菌酯,防效分别达到最高的75.36%,74.13%。乔志文等[49]通过选用不同种类不同浓度配比的杀菌药剂来进行试验对比处理。采用全面调查法,进行全区逐株调查,每次施药前通过观察植株病状参照病情分级调查甜菜褐斑病的病情指数和防治效果,最后分别从药剂喷洒次数以及施药间隔来分析,得出喷药次数在4次以内,施药间隔时期为3周时防治效果最好。

4 讨论与结论

本文主要分析了甜菜褐斑病的发病症状及规律,从病原真菌的研究方法、甜菜抗褐斑病基因的分析、外界因素对甜菜褐斑病的影响以及甜菜褐斑病综合防治4个方面对甜菜褐斑病研究进展进行了总结,目前对甜菜褐斑病的防治措施中主要以选取种植抗病品种以及化学药剂筛选领域的研究居多。化学药物防治仍然是当今甜菜褐斑病防治主要的手段,化学药剂虽然有着无法比拟的防治效果,但防治过程中操作不当或用量过多还会导致污染环境以及甜菜自身的农药残留超标,长期单一的使用一种或少数几种杀菌剂还会导致病原菌产生抗药性。因此在化学防治的时候要把握药剂的使用,适时进行抗药水平监测以制定合理的用药方案,同时注意与其他不同作用机制的杀菌剂交替使用或合理混配,以达到有效防治病害以及延缓病原菌抗药性发生与发展的目的。

同时通过研究发现传统的抗病育种用时长,分子标记技术的应用将显著提高育种效率。分子标记辅助选择是通过分子标记手段实现对目标基因快速筛选的育种新方法,进行深入研究有关甜菜分子标记辅助育种的工作并加入化学药剂的筛选和检测的研究能够对防治甜菜褐斑病起到至关重要的作用。