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迎战玉米“呼吸道”传染病

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-12-03  来源:中国科学报
核心提示:玉米灰斑病广泛分布于美洲、亚洲、欧洲及非洲等玉米主产区。近年来,灰斑病在我国玉米产区广泛发生,尤其是西南玉米区,病害程度逐年加剧,面积逐年扩展,一度成为海拔较高的冷凉玉米种植区的主要叶部病害。
  跟人类一样,香甜的玉米也会得“呼吸道”传染病,这种病就是灰斑病。该病自20世纪20年代首次发现以来,至今还没有“特效药”,对玉米生产造成极大不确定性。

  玉米灰斑病广泛分布于美洲、亚洲、欧洲及非洲等玉米主产区。近年来,灰斑病在我国玉米产区广泛发生,尤其是西南玉米区,病害程度逐年加剧,面积逐年扩展,一度成为海拔较高的冷凉玉米种植区的主要叶部病害。

  为解决这一问题,四川省农业科学院作物研究所研究员何文铸课题组历经十年攻关,利用传统作物学、基因组学、分子生物学和生物信息学方法潜心开展系列研究,锁定了53个灰斑病抗性相关基因,并筛选出4个共同的候选抗病基因,选育抗病自交系,组配鉴选出了一批高产优质的抗病组合,研发出成单3601等高抗品种。课题组在玉米灰斑病抗性QTL定位的研究取得进展,相关成果发表于《植物病理学》杂志。

  黎明前的黑夜

  玉米灰斑病是由玉蜀黍尾孢、玉米尾孢等多种尾孢菌引发的,主要危害叶片,致使叶片产生与叶脉平行的长矩形病斑。染病叶片上的尾孢菌逐渐成熟,产生孢子,体态轻盈的孢子借助于空气流动而散播到临近植株,或更远的地方,从而使整片农田染病。

  何文铸介绍,玉米灰斑病的发生与品种、气候、地理位置、栽培条件等因素有关,其中气候因素起主导作用。一般,7月中旬为该病的高发期,此时玉米刚完成抽雄吐丝,正是果实成长的关键时期。

  “玉米抽雄吐丝拼尽全力,而尾孢菌正对丰收果实虎视眈眈。7月的玉米熬着黑夜,盼着黎明。”何文铸说。

  面对这一强大敌人,除了“忍耐”,还有一些预防措施,比较常见的是喷洒药物和采用物理方法。

  何文铸表示,物理方法采用秋翻春耙、堆沤处理病株、间套轮作等方式,控制病株残体量和越冬病原菌数量,费工耗时。或通过调整播期,降低田间密度,改善植株易感病期田间小气候,分散种植,规避灰斑病发生条件,但往往效果不佳。化学药剂喷洒能起到一定预防作用,但对于大田或偏远地区难以操作。

  传统防治方法的局限困扰着何文铸。2008年,“5·12”汶川地震后,四川雅安部分地区暴发玉米灰斑病。

  “宝兴县发病面积就达1300多公顷,90%以上的玉米发病,严重田块叶片全部枯死,玉米面临绝收风险。”何文铸回忆。

  这深深触动了身处四川并从事农业研究的何文铸,坚定了他研究玉米灰斑病的决心,由此他与团队展开了近十年的面壁攻关。

  “生产上,发病后没有高效的防控方法,抗病品种的选育与推广是最为有效可靠的防治方法。只有研制出高抗品种,才能大大减少感病品种的种植,从而让良币驱逐劣币。”何文铸告诉《中国科学报》。

  探寻具有稳定抗性的优良品种

  高抗品种从哪里来?何文铸团队想到玉米地里寻找答案。

  从2010年开始,依托国家支撑计划、四川省玉米创新团队和“院州合作”等项目,团队成员前往全国各地收集玉米种质资源,共计900多种。经过鉴定筛选,获得了一批抗灰斑病的玉米材料。

  这些具有抗病性的玉米材料可以直接应用吗?答案是否定的。四川省农科院作物所副研究员杨麟举例,来自北方的玉米种植到南方山区后可能“水土不服”,出现其它疾病或者产量不理想。

  为了选拔综合实力优秀的玉米“种子选手”,2011年,研究团队将鉴定出的抗性材料进行杂交,用不同种质的有利基因重新聚合,得到具有优良综合性状的群体。

  “群体抗性佳,但抗性不稳定。如果种植抗性群体间杂交后的种子,就会得到性状不稳定的田间表现,很可能导致玉米减产。”杨麟说。

  为了选育抗性稳定性的高产品种,研究团队从抗性群体中选择优株自交,以获得抗性基因纯合的植株,从而创制出抗灰斑且高配合力的玉米新自交系。

  四川省农业科学院作物研究所博士陈洁介绍,玉米灰斑病的发病环境极难在实验室模拟,自交系的培育往往在户外的试验田进行,通过自然接种对玉米进行侵染,分析其抗性。该方式需要大量田间诱发鉴定,易受环境影响,耗资大且效率低。更令研究人员心焦的是,稳定成熟的自交系培育往往需要6代以上,这意味着6年的等待。

  “玉米灰斑病主要在海拔1200米以上高湿冷凉的山区发生,成都平原基本不发病,鉴定试验田都在山区。试验田与实验室200公里的山路,一天的路程,又为时间成本加码。”何文铸说。

  为此,研究团队成员积极探寻实验室接种鉴定的方法。功夫不负有心人,研究人员采用人工气候箱,反复进行人工接种试验,终于突破了人工接种的难题,并获得国家发明专利。

  何文铸表示,这为后续玉米灰斑病的抗性基因转录组研究工作提供了坚实的基础条件,也为后来利用灰斑病优良抗性基因,采用分子标记辅助育种和常规聚合育种相结合的方法,培育出高产高抗的优良杂交玉米品种打下基础。

  将育种进行到底

  在人工气候箱的帮助下,结合大田鉴定,研究团队培育并获得抗病和高配合力玉米自交系C8210、H8211等。目前,通过国家和省级严格的区试程序,抗灰斑高产品种成单333、成单335等获得国审和省审,并在生产上进行推广应用。

  谈及未来的研究计划,何文铸表示,育种是一个无止境的工作,接下来研究团队将根据当前的研究成果,继续培育出类似成单388、成青381等系列抗灰斑高产玉米品种,以创造更大的生产和社会价值。

  此外,何文铸表示,除了玉米,高梁、香茅、须芒草等多种禾本科植物也面临灰斑病的威胁。特别是高粱和玉米是近缘种,其基因组相似,很多基因高度保守。香茅和须芒草及玉米一样同属禾本科,它们之间的同源基因多数都具有相同或相似功能,因此可以将玉米上的抗灰斑病基因通过遗传转化的方式转入到高粱、香茅等禾本科植物中以提高抗病能力,提升其产量和品质。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1111/jph.12673
 
 
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