水稻的茎基腐病怎么防治（水稻穗腐病和穗枯病的研究进展）
水稻的茎基腐病怎么防治（水稻穗腐病和穗枯病的研究进展）图1 穗腐病早期(甬优12 A)和后期(秀水09 B)症状Fig. 1. Early (Yongyou 12 A) and late(Xiushui 9 B) symptoms of rice spikelet rot disease.水稻一般在抽穗扬花期的穗部颖壳感病。初期上部小穗颖壳尖端或侧面产生椭圆形小斑点 后逐渐扩大至谷粒大部或全部。谷粒初期为铁锈红色 后逐渐变为黄褐色或褐色 水稻成熟时变为黑褐色。局部病穗有白色的霉层。发病早而重的稻穗不能结实 造成白穗; 发病迟的则影响谷粒灌浆充实 造成瘪粒 降低千粒重[13](图1)。1 发病概况1.1 穗腐病发病概况在我国 穗腐病过去仅零星发生 危害较轻 因此没有引起足够重视[5 11]。近年 该病在全国各稻区均有发生 且日趋严重 已成为影响水稻高产、稳产和优质生产的重要因素。穗腐病通常发生在粳型、大穗型、紧
水稻穗腐病(rice spikelet rot disease RSRD)和穗枯病( bacterial panicle blight of rice BPBR)是我国新上升或出现的水稻穗部病害 均可引起水稻结实率降低以及谷粒变色。由于全球气候变化、耕作栽培制度的改变、氮肥量的增加以及品种的更替等原因 这两种病害的发生和为害逐年加重。这两种病害均发生在水稻生育后期 可交叉感染[1] 故一旦发生则造成水稻严重减产 带来巨大的经济损失。
水稻穗腐病是真菌性病害 笔者于2005年在浙江省稻田里发现了谷粒颖壳产生黄褐色或铁锈色椭圆形小斑点的病穗 后期病斑扩大并变为(黄)褐色至黑褐色 有些伴有白色霉层; 经过多年研究 根据病原菌及病害特征等 将其命名为水稻穗腐病。也有其他报道称变色稻谷、颖枯病、褐变穗[2 3 4]。在我国 2008年前仅是零星发生 之后在浙江、安徽、江苏、黑龙江等稻区的部分品种上严重发生。水稻感染该病后其结实率降低 谷粒变色、腐坏、畸形 病原菌产生的毒素还会对人畜的健康造成危害[5]。
水稻穗(谷)枯病是细菌性病害。Goto等[6]于1956年首次在日本九州发现该病害 并命名为水稻细菌性谷枯病(bacterial grain rot of rice)。20世纪70年代后期 该病成为日本水稻上最严重的病害之一 目前已经蔓延至亚洲、非洲和美洲的多个国家和地区[7]。2012年在美国多个州造成严重损失 美洲国家认为称其“ 穗枯病” 更为准确。我国2007年已将其列为检疫对象[8] 目前仅在台湾省和黑龙江省有过报道[3 9]。其病原菌产生的毒素对人畜也有毒害作用[10]。
由于水稻穗腐病和穗(谷)枯病在发病时期、发病部位、危害程度和症状上都具有相似性 故将两者的研究进展一起进行综述。
1 发病概况
1.1 穗腐病发病概况
在我国 穗腐病过去仅零星发生 危害较轻 因此没有引起足够重视[5 11]。近年 该病在全国各稻区均有发生 且日趋严重 已成为影响水稻高产、稳产和优质生产的重要因素。穗腐病通常发生在粳型、大穗型、紧穗型、直立型和多分蘖的水稻品种上。目前我国粳型水稻品种年均种植面积约为750万~840万hm2 穗腐病常年发生面积为80万~100万hm2。重病田块中丛发病率可达100% 穗发病率30%~95% 每穗病粒率30%~75% 受害稻穗结实率下降8%~10% 千粒重降低0.6~1.0 g 一般减产5%~10% 严重的达30%以上 甚至颗粒无收[5]。近年来 广东、广西、四川、重庆、云南、湖南、湖北、江西、安徽、江苏、浙江、辽宁、黑龙江省(市、区)的稻区均有水稻穗腐病发生的报道 发生面积约70万hm2以上 但各地发生的严重程度不一[11 12]。
水稻一般在抽穗扬花期的穗部颖壳感病。初期上部小穗颖壳尖端或侧面产生椭圆形小斑点 后逐渐扩大至谷粒大部或全部。谷粒初期为铁锈红色 后逐渐变为黄褐色或褐色 水稻成熟时变为黑褐色。局部病穗有白色的霉层。发病早而重的稻穗不能结实 造成白穗; 发病迟的则影响谷粒灌浆充实 造成瘪粒 降低千粒重[13](图1)。
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图1 穗腐病早期(甬优12 A)和后期(秀水09 B)症状Fig. 1. Early (Yongyou 12 A) and late(Xiushui 9 B) symptoms of rice spikelet rot disease. |
1.2 穗枯病发病概况
水稻穗枯病是一种种传病害 1980年仅在亚洲的2个国家发生 到2012年 包括亚洲、非洲、北美和南美洲的17个国家均有此病发生甚至爆发流行的报道 其中美国稻区发病尤其严重[14]。受害稻穗的病谷粒一般 10~20粒 发病重的50%以上谷粒枯死 发病早而重的稻穗呈直立状而不易弯曲 发病谷粒大多数不饱满或者不结实[15]。一般造成15%~20%的减产 在美国最严重的减产达到80%[16]。在亚洲国家的产量损失最高达75%[17](图2~3)。
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图2 籼型杂交稻穗(谷)枯病早期(A)和后期(B)症状Fig. 2. Early (A) and late(B) symptoms of indica hybrid combinations infected by panicle(grain) blight (Burkholderia glumae) |
穗枯病病原菌在水稻苗期为害育苗箱内的幼苗 引起幼苗腐烂 在水稻抽穗期侵入则导致谷粒腐坏[6]。日本南部多发生在谷粒上 造成大米的严重减产。而北部因为机插水稻育秧造成穗枯病的大流行[16]。大田期的叶片一般不显穗枯病的症状[18]。谷粒感染后 由似缺水状萎凋的苍白色 渐渐变为灰白色或淡黄褐色 内外颖尖端或基部呈紫褐色 护颖呈暗紫褐色。与真菌性谷枯病的最大差别是穗轴和枝梗均为健全绿色 不会枯萎。病谷的米粒大多萎缩且畸形 其中一部分或全部变为灰白色、黄褐色或深褐色 病健部交界明显 病部多呈褐色或深褐色带状[15]。可以用“ 秆青 叶绿 穗腐 谷枯” 简单概括其病状。
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图3 籼/粳杂交稻甬优12感染穗(谷)枯病典型症状Fig. 3. Early typical symptoms of indica/japonica hybrid combination infected by panicle(grain) blight (Burk holderia glumae). |
目前尚未发现表现完全抗性的水稻品种[19]。水稻品种Jupiter表现出部分抗性 其抗性相关基因是种子进化蛋白(谷蛋白、醇溶谷蛋白、球蛋白)基因、防御相关基因(防御素基因)和有关信号转导、淀粉代谢、转录调节以及其他细胞活动的基因[20]。Pinson等[21]利用Lemont/特青组合定位到3个与延迟开花有关的基因。开花晚的稻穗经历较低温度 所以灌浆时遇到病害较少。另外用 γ 射线得到感病品种Lemont的突变系LM-1也呈现部分抗性[21]。这些材料的获得将对穗枯病抗病品种的研究产生相当大的帮助。
2 病原研究
2.1 穗腐病的病原研究
在国外 穗腐病称为稻谷霉斑病 (pecky rice)、谷粒斑点病 (kernel spotting)、混合感染病害 (miscellaneous diseases) 或脏穗 (dirty panicle)[22]。认为造成穗腐病主要原因有三个:一是稻蝽象 (Oebalus pugnax) 取食引起的谷粒变色 或者蝽象取食后 其口针带入病原真菌或直接由真菌通过伤口侵染造成[23]; 二是由多种已知或未知的真菌引起[24 25]; 三是由细菌颍壳伯克氏菌(Burkholderia glumae)引起[16 26]。国外研究较多的是稻蝽象为害引起的谷斑病和细菌性颖枯病 由真菌引起的水稻穗腐病则少有报道[27 28]。
国内则多认为其病原是多种真菌 且病原的种类众说纷纭。病穗优势致病真菌主要有交链孢属 (Alternaria sp.)、青霉属(Penicillium sp.)、弯孢霉属(Curvularia sp.)、镰刀菌属 (Fusarium sp.)及平脐孺孢属(Bipolaris sp.)[2 29 30]。黄世文等[5 11 12]从国内外大量穗腐病标样上分离到多个真菌 主要有层出镰刀菌 (Fusarium proliferatum)、澳大利亚平脐孺孢菌(Bipolaris australiensis)、新月弯孢菌 (Curvularia lunata) 和细交链孢菌 (Alternaria tenuis) 用上述4个菌在水稻孕穗后期进行穗苞注射、开花期小颖注射或喷雾接种 均能使水稻感病 表明水稻生育后期这个关键生育期的易感病性和穗腐病病原的复杂性。经过田间孢子捕捉、不同时期采样分离、不同病原菌接种及再分离和毒素检测等证实层出镰刀菌为水稻穗腐病的主要病原菌[30] 但是各病原菌的侵染顺序和致病机制还需进一步研究。
2.2 穗枯病的病原研究
穗枯病病原菌在1967年被命名为颖壳假单胞菌(Pseudomonas glumae Kurita et Tabei)[31] 1994年改名为颍壳伯克氏菌(Burkholderia glumae)[32]。少数人认为唐菖蒲伯克氏菌(Burkholderia gladioli)也是其病原菌[33 34 35]。
在健康水稻谷粒上也能分离到颍壳伯克氏菌 但是分离到的概率很低 仅为0.32%[36]。颍壳伯克氏菌革兰氏反应呈阴性 是长1.5~2.5 μ m、宽0.5~0.7 μ m的好氧型杆状细菌 有荚膜 不形成芽孢 菌体极生1~7根鞭毛。营养琼脂培养基(NA)上菌落呈灰白色圆形 半圆隆起并且光滑。最适生长温度为28℃[15]。除水稻外 虎尾草、 画眉草、稗草、稻稗、牛筋草、狗尾草、芦苇等都是颍壳伯克氏菌的寄主[3]。该菌还可以侵染辣椒、芝麻、茄子、西红柿等重要经济作物[37]。继代培养、培养基pH值过高都会造成颖壳伯克氏菌的毒性减弱或丧失[38]。
颍壳伯克氏菌不仅是植物致病菌 还能引起人类的疾病。美国曾报道它能引起幼儿的慢性肉芽肿性疾病 伯克氏菌属中部分种类也是动物致病菌[39]。
根据菌落特征和生理生化试验来鉴定病原菌既耗时又费力 目前已研发出选择性培养基(表1)和一些分子生物学方法(表2)来检测颍壳伯克氏菌。分子检测手段的改良使检测变得更快捷和精确 有效控制了病害的传播。
表1
表1(Table 1)
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表1 颍壳伯克氏菌的选择性培养基Table 1 Selective medium for Burkholderia glumae.
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表1 颍壳伯克氏菌的选择性培养基Table 1 Selective medium for Burkholderia glumae. |
表2
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表2 颍壳伯克氏菌的分子检测方法Table 2 Molecular methods for detection of Burkholderia glumae.
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表2 颍壳伯克氏菌的分子检测方法Table 2 Molecular methods for detection of Burkholderia glumae. |
3 发病规律
高温加上适量降雨容易引起穗腐病和穗枯病的发生 水稻抽穗前后一周是谷粒的最适发病时期[18 45]。
水稻穗腐病可由种子带菌 也可能是空气中漂浮的大量病原菌孢子随风雨飘落到水稻颖壳开口处定殖萌发侵染的[13]。病原菌在病粒上越冬 来年水稻抽穗时侵入谷粒为害 只侵染花器和幼颖 以抽穗后15~20 d最盛[46]。水稻穗腐病发生、流行和危害与水稻品种(组合)有很大关系。一般粳稻、籼/粳杂交稻比籼稻和籼型杂交稻易感病 大穗、紧穗型品种(组合)比穗型松散的易感病 扬花灌浆期长得比短的易感病[13]。
水稻穗枯病的初侵染源有三个:一是落在水稻剑叶叶鞘上的颍壳伯克氏菌; 二是带菌的种子; 三是该细菌的田间寄主杂草。发病的稻穗是再侵染的重要因素[3 18 47 48]。病菌可以通过胚芽鞘和叶片的气孔侵入寄主 也可以通过第一片叶或次生根出现时所造成的伤口侵染 病菌侵染水稻幼苗后潜伏在叶鞘 严重时引起烂秧 随着稻株的生长向上面的叶鞘扩展 剑叶上叶舌被感染后 病原细菌在叶舌上繁殖 当稻穗抽出时接触叶舌 病原细菌极易附着在稻穗上而感染稻谷引起发病[15 18]。
4 病原菌毒素研究
病原物侵入寄主植物后能产生激素、酶类和毒素等物质 给寄主造成一定的伤害。毒素会与细胞原生质膜上的一种蛋白质结合 使膜的结构损伤、功能受到影响 导致膜透性改变 电解质外漏 电导值增加。近年来 人们在毒素的成分、结构、危害机制、病害防治等领域做了大量的研究工作 对于植物病害防治具有重要的参考价值[49]。
4.1 镰刀菌毒素
镰刀菌是穗腐病的主要病原菌 它产生的毒素种类很多 主要有伏马菌素(fumonisin)、T - 2霉菌毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol DON)、玉米赤霉烯酮(zearalenone ZEN)、串珠镰刀菌素 (moniliformin MON )[50](表3)。刘恩勇等[31]将穗腐病的病稻谷和健康稻谷分别剥离谷壳 测定米粒和谷壳中毒素的含量 发现病粒中含有较高浓度的烟曲霉(伏马菌)毒素和玉米赤霉烯酮 进一步证实了镰刀菌是主要致病菌。提取的镰刀菌粗毒素处能使大豆胚根的细胞质壁分离 质膜、线粒体膜、核膜、液泡膜局部断裂 线粒体肿胀变形 内部电子透明化、空泡化[51]。
表3
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表3 镰刀菌毒素的种类Table 3 Variety of toxin produced by Fusarium sp.
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表3 镰刀菌毒素的种类Table 3 Variety of toxin produced by Fusarium sp. |
4.2 颖壳伯克氏菌毒素
颖壳伯克氏菌产生三种植物性毒素:毒黄素(toxoflavin)、热诚菌素(fervenulin) 和路霉素(reumycin) 它们的分子结构很相似 其中毒黄素对水稻的毒害作用最大。毒黄素能阻碍水稻种子发芽 使穗部谷粒腐坏 造成植株的细菌性枯萎 是颖壳伯克氏菌的关键致病因子[35 56 57]。除了引起水稻谷粒变色之外 它还能使番茄、芝麻、紫苏、向日葵、茄子和辣椒出现萎蔫症状[37]。毒黄素能使超氧基团过多生成 对线粒体和基底膜造成损伤 引起呼吸和循环系统呈现病理性损害[10]。
关于毒黄素的合成机制还未达成共识。很多研究表明 颍壳伯克氏菌像多数细菌一样受到群体感应系统(quorum sensing system)的控制 群体感应是指细菌个体间的信号交流方式 它们产生并分泌特定信号分子 通过信号分子浓度的变化来感知周围环境中细菌数量的变化 达到一定浓度阈值时就启动或者关闭相关基因的表达来适应环境的改变[58]。Jinwoo等[59]研究发现 这个系统决定了毒黄素的产生与否。毒黄素的合成由相关合成基因toxA-toxE和转运基因toxF-toxI调节。Chen等[60]认为群体感应系统由tof l和tof R调节 缺失tof l和tof R的颍壳伯克氏菌突变株不能产生毒黄素 推翻了之前有关毒黄素的产生是由未知分泌系统调节的推断。Suzuki等[16]发现toxB和toxE编码的蛋白分别与GTP环化水解酶II和脱氨基酶有显著相似性 这些又与核黄素的合成有关。所以他们推测 毒黄素与核黄素共用一套生物合成途径 都由GTP来协助完成。
5 防治方法
5.1 农业防治
由于缺乏抗病的水稻品种 防治穗腐病和穗枯病第一应选用不带菌种子或进行种子处理。选种应尽量选无病田的种子 病田留种应按盐水比重1.18来选种 然后进行消毒处理[13 36]。二是延迟播种。由于穗腐病和穗枯病的最适发病期都在水稻抽穗扬花期前后 所以适当延迟播种可以避免水稻抽穗开花期与高温高湿天气相遇 从而减轻病害的发生和危害。三是合理进行水肥管理。施用氮肥太多是大多数病虫害严重发生的重要原因[13]。“ 寸水活棵、中期浅水勤灌、后期干湿交替” 是减轻病害发生的有利措施[30]。四是减少初侵染源 及时清除病田间的残留物。
5.2 化学防治
穗腐病和穗枯病病原菌的侵染时期一般在水稻破口期至抽穗期的7~10 d 症状表现一般在齐穗后4~5 d。当病症出现时才喷药防治 已错过了最佳防治时期 防治效果很差或几乎无防治效果。因此 防治须在孕穗后期用药进行第1次保护 视天气情况于抽穗-乳熟期再防治一次。同时须抓住阴雨间隙进行防治[30]。
防治穗腐病可选用45%咪鲜胺乳油、50%多菌灵可湿性粉剂、80%代森锰锌可湿性粉剂和20%三唑酮乳油[3]。复配剂中 可选用三唑酮 爱苗、好力克 安泰生。另外 三环唑 三唑酮、三环唑 多菌灵、三环唑 爱苗和三环唑 甲基托布津的防效也不错。可根据水稻穗腐病发病轻重选择使用[4 30]。
防治穗枯病的药剂不多 日本使用最多的是恶喹酸(美国不允许使用) 它是一种喹啉衍生物 有高效抑制革兰氏阴性菌的能力。用恶喹酸浸种或喷施叶片后 只有3%种子会出现病症 但颍壳伯克氏菌的Gyr A基因中氨基酸的替换会产生耐药性[56 61 62]。日本于1998年分离到了该抗性菌株[63]。国内学者建议使用春雷霉素、噻菌灵等[18]。
6 存在的问题
水稻穗腐病和穗枯病直接影响水稻产量和品质。近年来 它们的发生危害越来越严重。穗腐病在我国早有报道 但是对其进行系统研究的报道还不多。穗(谷)枯病仅在我国台湾省和黑龙江省有过报道[3 9] 大陆也从稻谷上检测到了该病原菌[36] 目前仍作为检疫性病害。近年来 随着品种(材料)的频繁调运 东北水稻面积的迅速扩大 机插秧面积越来越大及工厂化育秧 或引进一些日本品种 穗枯病时有发生和报道。2010年以来 笔者在海南岛、两广 长江流域的湘、鄂、赣、皖、江、浙及东北三省等广大稻区进行实地调查 均发现穗枯病症状 并从田间采集的感病稻穗上分离到颍壳伯克氏菌 证实该病已在我国大面积、普遍发生。估计年发病面积在33.3~53.3万hm2 一般造成3~20%产量损失。但国内对于穗枯病的研究几乎处于空白 病害的基础性研究及相应的防控技术、物化产品的研发均未跟上。由于伯克氏菌属中无毒性的种类能缓解颍壳伯克氏菌的自然选择压力 更好的防治方法将会是利用拮抗菌进行生物防治 如芽孢杆菌、荧光假单胞菌、酵母菌[57] 但是其防效和安全性还有待评估。
由于地理环境因素的差异 不同国家不同地区的病原菌之间存在明显的遗传多样性 导致各地研究结果不一 无法准确获知病害的主要侵染源和病原致病机制。目前还没有关于水稻穗腐病和穗枯病抗性鉴定的技术规范 也没有鉴别菌株、鉴别寄主 这不利于开展这两个病害的抗性鉴定、抗源筛选和抗病遗传育种工作。因此 根据我国部分地区这两个病害的发生情况 开展系统性的摸底调查、基础性研究以及针对性的防控技术研发是当务之急。
