小麦赤霉病研究进展及抗病育种

小麦赤霉病（Fusarium head blight)是一种世界温暖潮湿和半潮湿地区广泛发生的真菌病害。在我国，其危害仅次于条锈病，目前，其在长江中下游地区、东北东部春麦区、华南冬麦区以及黄淮麦区普遍发生并有加重趋势。受环境因素影响，每年造成10~50%的减产，严重影响到我国的粮食安全。

赤霉病的发生除了导致产量降低，烘焙品质下降和种子质量降低外，其主要的危害是由于被称为霉菌毒素的有毒真菌次级次级代谢产物污染小麦，尤其是脱氧雪腐镰刀菌烯醇毒素（DON）能直接导致人畜中毒。因此世界各国对赤霉病小麦毒素（DON）的污染程度均有严格规定。例如在欧盟标准中，DON的含量在面包小麦中不超过1.25ppm,在面包及烘焙制品中含量不超过0.5ppm,儿童食品中含量不超过0.2ppm。1993年美国食品药品管理部门规定小麦制品中DON含量不超过1ppm 。加拿大卫生部规定，麦类制品中DON含量不超过2ppm,儿童食品中不超过1ppm。我国规定赤霉病小麦病粒低于4%或麦粒毒素含量不超过1ppm，我国饲料卫生标准对饲料中DON的允许量为：猪配合饲料≤1ppm其它配合饲料≤5ppm。

自1891年Arther首次报道不同小麦品种对赤霉病抗性存在差异以来，各国学者对赤霉病的研究从未间断，尤其是近十多年，随着分子生物学技术的飞速发展，小麦赤霉病研究已经进入到分子水平。本研究将从赤霉病的发生与防治、抗赤霉病种质、赤霉病抗病机制以及抗病育种4个方面进行综述。

一、赤霉病的发生与防治

（一）赤霉病病原菌

小麦赤霉病是由多种镰刀菌引起的，它们是兼寄生菌，专化性不强，包括禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum Schwabe)，燕麦镰刀菌(F.avenaceum (Fr.) Sacc)，黄色镰刀菌(F.culmorum (W.G.Sm) sacc.)，雪腐镰刀菌(F.nivale (Fr.) Ces.)，锐顶镰刀菌(F.acuminatum El.et Ev)等，均属于半知菌亚门真菌。在欧洲禾谷镰刀菌和黄色镰刀菌为优势菌种[1],在非洲南部，主要是禾谷镰刀菌二组(Fusarium graminearum Group II),其次是燕麦镰刀菌，锐顶镰刀菌，串珠镰刀菌(F.moniliforme Sheldon)等，美国及中国优势菌种均是禾谷镰刀菌，据全国小麦赤霉病研究协作组于1975-1980年联合鉴定的来自全国2450份赤霉病穗标样，禾谷镰刀菌占总标样的94.5%[2]445。

（二）侵染途径

在我国中、南部稻麦两作区，赤霉病病原菌可在多种作物病残体中营腐生生活越夏越冬，也可以菌丝体在病种子内越夏越冬，而在中国北部、东北部麦区，其主要是在麦茬等作物残体上以菌丝体或子囊壳的形式越夏越冬。当气温大于10℃，土壤含水量大于50%，空气相对湿度大于98%[3]，子囊壳内释放孢子于空气中。小麦抽穗扬花期，孢子借助于气流和雨水传播到麦穗。刘常青等[4]研究认为，连续降水≥3d且雨量≥30mm是赤霉病发生最适宜的条件。

早期国内外的研究均认为，病原菌首先侵染花药，随后蔓延至子房、颖片及穗轴[5,6],因而花药在侵染过程中起重要作用，后来的一系列结果表明，赤霉病菌可以直接入侵小麦穗部的所有部位[7,8,9]。康振生等[10]通过扫描和透射电镜技术系统地研究了禾谷镰刀菌在小麦穗部的侵染过程，认为分生孢子可着落在颖片、外稃和内稃的内外表面，穗轴、子房和柱头的表面并形成芽管在寄主体表扩展，随后颖片、外稃和内稃内表面及子房表面菌丝分化产生侵染菌丝在这些部位的细胞壁内或其角质层下生长扩展，造成细胞壁破裂或畸形，也可以直接穿透表皮细胞壁进入寄主组织的细胞间隙，随后菌丝以胞间扩展和胞内生长方式向穗轴方向扩展，子房部位的菌丝横向扩展到种皮和胚乳，造成组织坏死，子房不能发育膨大。菌丝侵入穗轴后，同样以胞间和胞内生长方式沿维管束、皮层组织上下扩展到相邻小花并最终导致麦穗枯死。当由残留好药及花粉存在时，病菌菌丝较易生长并通过其向内扩展，因而能加重病害的发生。

（三）赤霉病病症

赤霉病可在小麦全生育期发生，根据为害部位及时期，可分为茎基腐，苗腐，秆腐，穗腐等症状，其中穗腐危害最为严重。

茎基腐发生于小麦全生育期，发病时麦株基部变褐腐烂直至全株枯死。苗腐是由种子带菌或土壤中含有病残体所致，出苗后芽鞘变褐甚至腐烂，随后病菌扩展到根及子叶，病苗黄瘦，严重时引起苗枯，枯死苗在湿度较大时可见粉红色粘质霉层（病菌分生孢子）。感病较重的种子难以出苗。秆腐发生于穗下第一、二节，随病症发展叶鞘部位病斑从水渍状褪绿色发展为淡褐色直至红褐色并扩展到茎内，导致麦苗不能抽穗或抽出枯黄穗。穗腐发生于小麦扬花期，小穗颖片基部出现水渍状浅褐色病斑，随后扩展至整个小穗，引起小穗枯黄，后期病部产生密集蓝黑色小颗粒（病菌子囊壳），严重时麦粒皱缩、发霉。

（四）防治方法

赤霉病号称小麦的“癌症”，在目前条件下并没有特别的措施或化学药剂能彻底控制该病害，因此，培育利用抗病品种是最为经济有效的方法。

在预防方面，主要是在小麦播种前深耕灭茬，以最大程度减少初侵染菌源数。由于赤霉病流行对湿度要求较高，有效的排水系统尤为重要，地下水位最好控制在麦株主根系一下。另外适当早播并多施磷钾肥能够促进麦苗健壮生长、提早成熟，也能增加小麦的抗病力。

化学防治方面，20世纪70年代以来，生产上一直使用多菌灵及其复配剂防治赤霉病，但由于多菌灵作用位点单一，长期使用能产生抗药性 [11]。江涛等[12]对目前常用药剂的药效分析结果表明，25%氰烯菌酯悬浮剂100、200 mL/667m2、42%咪鲜·甲硫灵可湿性粉剂60、80 g/667m2对赤霉病由较好的防治效果。

生物防治方面，主要是有益拮抗菌的利用。Baker等[13]认为,植物微生物区系中广泛存在着对病原菌具有拮抗左右的微生物，它们是区系中的正常习居成员。拮抗微生物应在病原菌引起的病害没有发生或发生后自然在减少或有感病寄主存在却不能发生的地方寻找。余桂荣[14]分离的芽孢杆菌B4、B6，Khan N I.等[15]分离的芽孢杆菌AS43.3、AS43.4以及OH182.9对赤霉病的防效均接近于多菌灵，蔺国强等[16]分离了解淀粉芽孢杆菌X-42,其脂肽物可直接破坏禾谷镰刀菌菌丝结构，也能影响分生孢子萌发，对赤霉病防治效果也与多菌灵相当。

二、抗赤霉病种质

（一）抗赤霉病品种

赤霉病抗性品种及资源相对较为缺乏，抗病种质主要存在于赤霉病流行地区，按地区可以划分为三类：一是来自东欧的冬小麦，二是来自中国和日本的春小麦，三是来自巴西和意大利的春小麦[17]。我国长江中下地区及浙江、福建是赤霉病流行最频繁的地方之一，其抗病资源最为丰富。目前世界范围内重要的抗赤霉病品种(品系)见表1，望水白、苏麦三号、宁7840抗性强且稳定，其中苏麦3号目前以成为全世界公认且利用最广泛的优秀抗源[18,19,20]。

表1：赤霉病抗性品种

（二）新抗源利用

由于小麦本身抗赤霉病种质的缺乏，现有抗病种质遗传背景狭窄，并且农艺性状普遍较差，为了开拓新的抗赤霉病遗传资源，对小麦稀有种、近缘种赤霉病抗性鉴定已有许多报道。刘宗镇等[21]对801个小麦稀有种对赤霉病的抗性鉴定表明大多数（97.0%）是感病的，Gagkaeva[22]研究结果表明提莫菲维小麦、科尔希二粒小麦、波斯小麦、栽培二粒小麦和斯卑尔脱小麦具有赤霉病抗性，Somers[23]等也发现提莫菲维小麦、一粒小麦中有部分品种有赤霉病抗性。

翁益群等[24]对6个属11个种的小麦亲缘种进行赤霉病抗性鉴定，结果表明鹅观草属的纤毛鹅观草和鹅观草对赤霉病抗性最佳。万永芳等[25]进一步鉴定了鹅观草属13个种的71个品种，从中鉴定出31个品种具有高抗侵入和高抗扩展特性。周永红等[26]也认为鹅观草属是小麦族中赤霉病抗性最强、抗源最多的一个属。其次，披碱草属、仲彬草属和冰草属大多数物种中抗侵入且高抗扩展,偃麦草属、拟鹅观草属、新麦草属和大麦属多年生野生种不抗侵入但高抗扩展[25]。

此外，研究者除了从小麦近缘种中寻找新抗源外，也利用组培、转基因手段获得了赤霉病抗性材料。张炎[27]、吴志凤[28]利用赤霉病菌粗毒素分别筛选到抗赤霉病新种质。叶兴国[29]、刘欣[30]分别将RIP基因和TaPIEP1转入小麦均提高了转基因小麦赤霉病抗性。

三、小麦抗赤霉病机制

（一）小麦形态结构与赤霉病抗性的关系

虽然小麦形态结构并不是其抗赤霉病的主要因素，但是存在一定的相关性，并且对于传统的田间育种具有一定的实际意义，因此，小麦抗赤霉病形态学研究也引起了很多学者的注意。

虽然赤霉病能够入侵小麦穗所有部位，但是残留花药及花粉的存在为病菌入侵提供了更为便利的条件。一般认为开花时花药残留在花颖内的品种大多是不抗病的，而开花时张颖角度小、开花时间短、花丝较长(一般9mm以上)、容易脱落、花药颜色带紫色、残留量少的品种大多是抗病的[31]。刘宗镇等在扬麦1号上进行扫花药防病实验证实残留花药多少与感病程度有直接关系[21]。王仲明等[32]发现小麦花药残留率与赤霉病病情指数极显著负相关证实了这一说法。罗树中等[33]通过5年时间观察发现抗病品种花期一般较短，而感病品种一般花期较长，同时，抗病品种病菌潜伏期也较长。

何觉民[34]通过对45个小麦品种的穗部持水量与抗病性进行相关性分析，对形态特征与穗部持水量进行通径分析和回归分析，小麦品种形态对抗赤霉病性的作用是通过穗部湿度实现的，凡影响穗部湿度的形态特征都影响品种的赤霉病抗性，如株高、颖壳厚度等，并进一步提出抗赤霉病小麦品种的理想株型应为：植株较高、颖壳薄、圆锥型或瘦方柱形穗、小穗着生稀、穗出颈较长、穗叶距大、剑叶窄、无颖毛、无蜡质、芒短而直立，茎秆弹性好。刘宗镇等[21]通过对17,621个普通小麦材料的观察部分同意这一观点，但认为株高与抗病性之间没有必然的联系。而陆成彬等[35]研究结果显示，在不同年度间小麦赤霉病侵染和扩展的病小穗率与与株高呈显著负相关。

（二）抗赤霉病生理生化机制

自20世纪70年代以来，小麦赤霉病抗性生理生化机制逐渐得到国内外学者的高度重视，1978年Strange[36]首次发现小麦花药中胆碱、甜菜碱能够促进禾谷镰刀菌的生长发育。在小麦花药、穗部、护颖、内稃、外稃也具有一定的胆碱活性，并且花药中胆碱含量显著高于小麦植株其他部位[37]。在盛花期小麦穗胆碱含量与抗赤霉病性呈显著负相关[38]。

苯丙氨酸解氨酶(PAL)是植物苯丙烷类物质代谢的关键酶。当细胞受病菌侵染时，其可以促进抗菌物质(绿原酸、黄酮类和植物保卫素等),木质素以及细胞结构屏障物质的合成[39,40]。超氧化物歧化酶(SOD)是存在于细胞膜系统的一种保护酶，具有清除超氧阴离子(O2-1)，广泛参与植物逆境生理响应。王雅平等[38]研究结果表明，小麦健株的SOD活性与小麦抗赤霉病性呈极显著正相关，与胆碱含量成极显著负相关，在接种病菌24小时的PAL活性、72小时黄酮含量、168小时木质素含量与抗赤霉病性呈极显著负相关。也有研究表明，过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT),抗坏血酸过氧化物酶的活性，以及木质素、黄酮、绿原酸、酚类物质的含量与赤霉病抗性有密切关系[2]447。

近年来激素抗病信号途径研究逐渐深入，wang等[41]研究表明F.graminearum侵染小麦会激活水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)调节的信号途径。NPR1(non-expresser of pathogenesis—relatedgene1)基因是水杨酸介导的植物系统获得性抗性的正向关键调控基因，在小麦中过量表达拟南芥的NPR1基因将提高小麦对赤霉病的抗性[42]。

Schroder等[43]曾提出小麦赤霉病抗性有抗侵入和抗扩展两种类型。目前抗病品种主要为抗扩展类型。Miller等[44]根据赤霉病品种有较高的Ergosterol/DON比率，提出第三种类型抗性即抗DON积累。徐雍皋等[45]研究表明DON引起的组织内电解质外渗，抗病品种电解质外渗量小，细胞膜损伤低，而感病品种则反之。刘宗镇[46]等经过系列研究发现DON具有类生长激素活性，在侵染早期，病原菌产生的DON很少，能够促进寄主细胞的各种生理活动，提高某些酶(K+刺激ATP酶)的活性，从而让提高植株对K+等营养物质的吸收，并调动寄主营养物质向侵染部位运输和累积，以供给病原菌本身对寄主的侵染和寄生生长的营养需要。随着病程的发展，DON不断产生，在侵染部位浓度提高到一定程度时，DON则抑制K+刺激ATP酶的活性以及K+的吸收，使跨膜质子梯度失去平衡，膜透性增加，导致侵染部位周围细胞电解质渗漏，质膜破裂，原生质外逸，这些营养物质又加速病原菌生长和侵染扩展。王裕中等[47]通过生物测定证明DON对小麦黄化芽鞘生长有抑制作用，而且小麦对DON的敏感性与品种的抗赤霉病性呈负相关。随后其将小麦芽鞘生物测定法应用于赤霉病抗性鉴定中[48,49]。

（三）抗赤霉病遗传机制

1.小麦抗赤霉病类型

小麦赤霉病抗性类型除前文提到的抗侵入(type Ⅰ)、抗扩展(type Ⅱ)、抗DON积累(type Ⅲ)外，Mesterhazy[49]根据抗、感品种中病粒率和产量损失程度的差异，又提出两种新的抗性类型，即对病粒率FDK的抗性(type Ⅳ)和耐病性(type Ⅴ)。抗侵入、抗扩展类型研究较多，但目前世界上还没有一个品种对赤霉病完全免疫，育种中利用较多的是抗扩展类型种质，有报道称这两种抗性类型的遗传机制是不同的[50]。type Ⅰ抗性鉴定的指标主要有病穗率(PIS)、病小穗率(PDS)或每单位面积内病小穗数[51]，鉴定方法主要有三种：一是采用喷洒赤霉菌悬浮孢子液，二是田间撒播病粒接种，三是完全自然发病。type Ⅱ抗性鉴定指标主要是病小穗数(NDS)和病轴长(LDR)，鉴定方法是单花滴注接种[49]。近年来，抗DON积累的研究也得到普遍重视。

2.小麦抗赤霉病遗传特点

小麦赤霉病的发生虽然受环境因素影响较多，但目前普遍认为赤霉病抗性是可遗传的，且受细胞核基因控制。顾佳清[52]认为小麦对赤霉病抗性由几对具有部分显性基因所控制，F1病情指数介于双亲之间并偏向抗病亲本，F2病情指数呈连续性偏态分布，频率多集中于一个高峰附近，后代表现趋向抗病亲本。蒋国梁[53]、王雅平[54]、廖玉才[55]Bai等[56]通过不同方法和材料研究表明，小麦赤霉病遗传受加性效应控制，显性效应也有显著作用，符合加性-显性模型，抗病对感病为部分显性，遗传力均较高。育种中在早代选择较为有效。

3.小麦赤霉病抗病基因定位

通过大量的遗传学研究，目前大多数学者均认为小麦赤霉病抗性受多基因控制的数量遗传。Buerstmayr[51]等通过分析近期发表于较为权威期刊上的52份赤霉病抗性QTL定位研究表明，除7D染色体外，其余染色体上均发现赤霉病抗性QTL。但余毓君[57]等通过单体分析法认为，苏麦3号的7D染色体上也存在抗性QTL。Rosyara等[58]采用传递不平衡测试(TDT)法对育种家系群体进行关联分析，认为7D上也存在与赤霉病显著相关的位点。虽然不同研究者采用的方法、群体不尽相同，但很多研究均发现3B,6B,5A上的抗性QTL的存在，并且效应强，表达稳定，可能存在抗性主效基因。

目前众多赤霉病抗性基因定位研究中，苏麦3号3BS,6BS上的Fhb1和Fhb2无疑成为焦点。苏麦3号是苏州地方农科所以台湾地方品种和意大利感病品种阿夫杂交育成，抗性稳定。余毓君[57]研究了中国春双体和单体系列与苏麦3号杂种F2代抗赤霉病表现，认为苏麦3号抗性基因至少有5对，分别位于1B,2A,5A,6D,7D上。姚金保[59]等以苏麦3号为染色体供体，中国春小麦单体系列(1A-7D)作为受体和轮回亲本建立代换系对赤霉病抗性进行染色体定位研究，结果表明苏麦3号2B、3B和6B与赤霉病抗性有关。

目前国际公认的苏麦3号抗赤霉病主要基因位于3B、6B上。Waldron等[60]用RFLP标记对苏麦3号/Stoa(中感）的RIL群体进行QTL定位，在3BS上发现一个QTL位点，与Xcdo981紧密连锁，能解释15.4%的表型变异，另有两个QTL位于6B染色体的不同区域。Zhou等[61]通过缺失系将3BS上的这个位点进一步定位于3BS-8上。Anderson等[62]对苏麦3号/Stoa群体进一步研究表明3BS区域标记Xgwm493、Xgwm533之间的染色体片段能解释41.6%的表型变异，并且该标记能够应用于MAS育种。Liu等[63]对苏麦3号/Stoa和ND2603(苏麦3号/Wheaton(抗))/Butte86(中感）3BS区域进一步密集标记，通过共线性分析利用水稻基因组信息开发STS标记，得到R2和LOD值均高于Xgwm493的STS标记，分别是Xsts3B-49、Xsts3B-52、Xsts3B-66、Xsts3B-80、Xsts3B-138、Xsts3B-142。并通过缺失系分析，将该主效QTL定位在0.78-0.87间[63,64]。Liu等[65]利用382个重组体并开发出新的STS标记(Xsts3B189,Xsts3B206)，将该基因定位于1.2cM区间，并将该基因命名为Fhb1。同年，Cuthbert 等[66]建立群体Sumai3*5/Thatcher和HC374/3*98B69-L47(HC374 = Wuhan1 /Nyubai ),并将Fhb1(同Qfhs.ndsu -3BS)分别定位于这两个作图群体的1.27cM和6.05cM区间内。通过建立BAC文库筛选，liu等[67]进而将该基因定位在XSTS3B334与XSTS3B32之间的0.08cM区间内。

6B染色体上的抗性QTL研究同样也取得长足进展，yang等[68]以DH群体(DH181/AC Foremost)(DH181=苏麦3号/HY368)为材料研究不同抗性类型的QTL，认为3BS和6BS上的两个主效QTL同时与抗侵染和抗扩展相关。Cuthbert等[69]利用苏麦3号衍生品系BW278(AC Domain*2/Sumai 3)重组自交系群体将该QTL位点定位于GWM133 和GWM644之间，并将该基因命名为Fhb2，该基因距离GWM644 2cM。

四、抗赤霉病育种方法

（一）系统选育

近50多年来，我国南方特别是长江中下游冬麦区在抗赤霉病育种上取得显著进展，早期通过系统选育方法，从感病品种阿夫中选育出扬麦1号及武麦1号，从感病的南大2419中选育出较为耐病的万年2号和望麦5号，通过辐射诱变技术从南大2419中选育出耐病鄂麦6号，继而在鄂麦6号中单株选育育成抗病性、丰产性均有所提高的鄂麦9号。系统选育在我国早期抗赤霉病育种中起到了重要的作用，但存在盲目性。

（二）杂交育种

杂交育种是目前较为普遍的育种方法，目前绝大部分推广品种均是通过单交选育而成，在抗赤霉病育种中也扮演着重要作用，苏麦3号既是通过感病的阿夫与台湾小麦杂交选育而成。利用苏麦3号及其他优秀抗源与丰产性、适应性好的推广品种杂交，成功选育成较抗赤霉病的湘麦10号(友谊麦/苏麦3号）、赣麦359(友谊麦/万年2号）等，这些品种曾经都是当地的主推品种。除单交育种外，通过复交育成的较抗赤霉病的鄂恩1号(“洛夫林10号”/“761”//苏麦3号）、鄂恩2号均在生产上大面积推广[70]。利用远缘杂交也育成了一些抗病品种，如从南大2419与荆州黑麦的杂交后代中育成的荆州1号和47号，从(阿夫/硬粒小麦)/(南大2419/黑麦)的杂交后代中育成的荆州66[71]。

（三）利用太谷核不育基因开展轮回选择

由于苏麦3号等优秀赤霉病抗源本身农艺性状较差，通过其与与丰产性、适应性较好品种杂交很难获得理想的丰产、抗病、适应性广的品种。轮回选择的基本作用在于积累群体中有关的某一数量性状的微效基因而不显著削减其遗传变异性，基于此吴兆苏等提出“小麦抗赤霉病基因库的建拓”的育种方案，利用太谷核不育基因(Ta1或MS2),开展多亲本聚合杂交，表型混合选择，后代抗性测定与选择相结合的轮回选择计划建拓小麦抗赤霉病基因库，在任何轮选周期将不同的新种质导入基因库使之继续得到开拓，而基因库中的优良基因聚合体也可以陆续提取以发展成新品种[71]。张乐庆等[72]采用8个品种(系）分别组建3个抗赤霉病轮回选择基础群体，通过多轮选择，选出9个中抗-抗级品系，其中T154抗性超过苏麦3号。

（四）生物技术育种

1.体细胞无性系诱导技术

随着生物技术的发展，小麦抗赤霉病育种途径得以拓宽，陆维忠等[73]以小麦幼穗、幼胚为外植体进行体细胞组织培养诱导无性系变异，并以DON毒素为选择压，筛选抗(耐）细胞突变体，并从中选育出生抗1号、生选3号，其中生抗1号累积推广500万亩。

2. MAS育种

分子标记的出现对育种工作产生了深刻的影响，分子标记的应用不仅放宽了对育种经验的要求，而且使得对性状的选择更加准确和方便，降低了对环境条件、植株生长状态，以及基因显隐性的影响。但目前大量报道的分子标记的开发主要是应用于特殊性作图群体，以及基因鉴定，使得这些标记在很多亲本中的扩增没有特异性，因而难以在育种中应用，赤霉病MAS育种中实用性分子标记则更少。目前较为可靠的标记来源于3BS上的Xgwm493、Xgwm533以及Xbarc133,这三个标记在一起使用时在F3和F4中的选择效率均较高[74]。另外孙果忠[75]研究表明Xgwm335-5B可用于MAS。值得注意的是标记只能检测含有该抗性基因(或QTL)遗传背景的材料。而对于其它基因(或QTL)导致的赤霉病抗性则不一定有选择效率。