馬鈴薯常見(jiàn)病害的防治

馬鈴薯常見(jiàn)病害的防治

甘薯是世界上第四種谷物。它可以同時(shí)用于谷物和蔬菜。它具有生長(zhǎng)短、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高、耐貯藏、用途廣泛等特點(diǎn)，在確保食品安全方面發(fā)揮著不可替代的作用。由于對(duì)食物增長(zhǎng)和膳食結(jié)構(gòu)改變的需求,目前,中國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)快速增長(zhǎng)時(shí)期,增長(zhǎng)速度在糧食作物中處于前列。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì),2011年,中國(guó)馬鈴薯種植面積與總產(chǎn)量均居世界第一,分別為542.7萬(wàn)hm2和8835萬(wàn)t。但是,中國(guó)馬鈴薯單產(chǎn)僅有16.28t/hm2,在156個(gè)馬鈴薯種植國(guó)中僅排第85位,只有世界平均水平(19.45t/hm2)的83.7%。而全世界單產(chǎn)超過(guò)40t/hm2的國(guó)家有8個(gè),其中比利時(shí)達(dá)到了50.14t/hm2。造成該現(xiàn)象的因素有品種、種植模式,病害和管理水平等,其中,病害是一個(gè)重要的因素。馬鈴薯在整個(gè)生育期會(huì)受到多種病害的侵染,包括:真菌病害、細(xì)菌病害、病毒病、放線(xiàn)菌病害和非侵染性病害,其中以晚疫病、病毒病和青枯病的危害較為突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球每年因病害造成的馬鈴薯產(chǎn)量損失高達(dá)總產(chǎn)量的25%,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元。因此,如何選育抗病品種已成為馬鈴薯育種學(xué)家探索的重要課題。為了促進(jìn)馬鈴薯抗病育種研究的深入發(fā)展,并為其提供理論依據(jù)和參考,筆者綜述了國(guó)內(nèi)外馬鈴薯晚疫病、青枯病及病毒病抗性育種研究的一些新進(jìn)展,同時(shí)對(duì)馬鈴薯抗病育種過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討并提出了建議。1馬鈴薯晚疫病的經(jīng)濟(jì)效益馬鈴薯晚疫病(LateBlight)是由致病疫霉侵染引起的一種真菌性病害,是馬鈴薯的毀滅性病害,一般可造成馬鈴薯減產(chǎn)20%~80%,重者可引起絕收。據(jù)估計(jì),全球每年在晚疫病上的開(kāi)銷(xiāo)超過(guò)40億美元,而我國(guó)每年僅因馬鈴薯晚疫病導(dǎo)致的產(chǎn)量損失就達(dá)總產(chǎn)量的10%~20%,造成的經(jīng)濟(jì)損失約為10億美元。盡管目前已在晚疫病的致病原因、發(fā)病規(guī)律、病原傳播、生理小種鑒定、防治方法和抗病品種選育等方面做了大量的工作并取得了一定的成績(jī),但由于該病菌的生理小種種類(lèi)較多,變異速度快,適應(yīng)性強(qiáng)(孢子反復(fù)凍融仍能存活,并可擺脫活薯塊長(zhǎng)期存活于土壤中而成為新的接種源),因此,抗晚疫病新品種選育仍然是當(dāng)前和未來(lái)馬鈴薯育種研究最重要的目標(biāo)之一。1.1為馬鈴薯晚疫病抗性育種提供了重要的中間材料馬鈴薯晚疫病抗性育種早期主要通過(guò)將野生種與雜交結(jié)實(shí)性強(qiáng)的馬鈴薯栽培種雜交,再利用雜交后代與栽培種回交的途徑,將野生種的抗性基因?qū)肫胀ㄔ耘喾N。Hermsen等通過(guò)利用中間親本雜交的方法得到栽培種S.buberosum與野生種S.bulocastanum的雜交后代。但是,由于馬鈴薯野生種與栽培種之間存在生殖隔離,導(dǎo)致種間雜交不親和,該方法只對(duì)少數(shù)馬鈴薯材料有用。另有研究表明,對(duì)馬鈴薯野生種進(jìn)行倍性操作可以有效克服馬鈴薯種間雜交不親和。Adiwilaga等通過(guò)該途徑成功將來(lái)源于墨西哥二倍體野生種的抗性基因?qū)腭R鈴薯栽培種;Hanneman等對(duì)獲得的普通栽培種與野生種S.pinnatisetum的雜交后代進(jìn)行抗病性鑒定表明,其具有馬鈴薯晚疫病抗性。Li等將從國(guó)際馬鈴薯中心引進(jìn)的CIPPeru88與抗晚疫病的馬鈴薯品種Ⅰ-1085進(jìn)行雜交獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)且抗晚疫病的新品種C88。這些研究結(jié)果均為馬鈴薯晚疫病抗性育種提供了重要的中間材料。盡管常規(guī)雜交育種在馬鈴薯抗病育種中具有十分重要的作用,但由于馬鈴薯普通栽培種與野生抗病種質(zhì)之間廣泛存在著有性生殖障礙,導(dǎo)致很難通過(guò)常規(guī)雜交育種來(lái)進(jìn)行遺傳改良。1.2細(xì)胞雜交融合對(duì)馬鈴薯晚疫病的影響體細(xì)胞雜交是克服馬鈴薯種間各種有性生殖障礙的最有效方法之一,也是目前馬鈴薯抗病育種使用頻率最高、研究最為深入的技術(shù)之一。目前利用該技術(shù)已成功將多種存在于野生種中的抗性基因引入到普通栽培種中。Menke等通過(guò)栽培種S.tuberosum與野生種S.pinnatisectum的體細(xì)胞雜交,獲得了帶有兩者遺傳物質(zhì)的體細(xì)胞雜種;Helgeson等通過(guò)體細(xì)胞雜交獲得了普通栽培種S.buberosum和野生種S.bulbocastanum的雜種后代,通過(guò)體細(xì)胞雜種與馬鈴薯栽培種Katabdin或Atlantic之間的雜交與回交,篩選得到高抗馬鈴薯晚疫病的株系。Guzowska等和Szczerbakowa等開(kāi)展了S.tuberosum與S.nigrum的體細(xì)胞雜交融合研究,通過(guò)抗性鑒定證實(shí)已將野生種的晚疫病抗性基因轉(zhuǎn)入普通栽培種。Thieme等通過(guò)體細(xì)胞雜交獲得的S.tuberosum和S.tarnii的雜交后代對(duì)馬鈴薯晚疫病具有顯著的抗性。Iovene等利用野生種S.bulbocastanum和普通栽培種S.tuberosum進(jìn)行體細(xì)胞雜交,對(duì)二者的體細(xì)胞雜交后代進(jìn)行離體培養(yǎng),獲得具有抗性的單倍體植株,這是國(guó)內(nèi)外首次報(bào)道利用野生種與栽培種進(jìn)行體細(xì)胞雜交成功獲得單體植株。1.3go基因?qū)︸R鈴薯晚疫病的影響在馬鈴薯抗晚疫病基因工程育種研究中,常將病程相關(guān)蛋白基因作為靶基因,如Osmotin、GO、Harpin、TLP以及細(xì)菌無(wú)毒基因等。Osmotin是從煙草中發(fā)現(xiàn)的一種與病程相關(guān)的蛋白,對(duì)馬鈴薯晚疫病菌活性具有較好的抑制作用。Liu等首次報(bào)道,將Osmotin蛋白通過(guò)轉(zhuǎn)基因?qū)腭R鈴薯能夠延遲馬鈴薯植株晚疫病發(fā)病時(shí)間;Zhu等研究發(fā)現(xiàn),引入Osmotin蛋白的馬鈴薯轉(zhuǎn)基因植株能降低致疫霉菌的侵染頻率;李汝剛等研究發(fā)現(xiàn),胞外分泌的Osmotin蛋白能顯著提高轉(zhuǎn)基因株系對(duì)馬鈴薯晚疫病的抗性;而GO(葡萄糖氧化酶)基因的表達(dá)可導(dǎo)致馬鈴薯中晚疫病病原菌侵染速率的降低。甄偉等從黑曲霉中克隆出GO基因,經(jīng)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化獲得轉(zhuǎn)基因植株,且大多數(shù)轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出晚疫病發(fā)病時(shí)間推遲和病癥明顯減弱。張立平等將GO基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯品種大西洋和夏普蒂中均獲得具有明顯抗晚疫病的轉(zhuǎn)基因株系。另外,李汝剛等將Harpin基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯顯著提高了其轉(zhuǎn)基因植株的抗性。李先平等用Harpin基因轉(zhuǎn)化馬鈴薯四倍體品種大西洋,降低了晚疫病斑的生長(zhǎng)率,提高了植株的晚疫病抗性。另有研究表明,類(lèi)甜蛋白(Thaumatin-likeprotein,TLP)對(duì)多種真菌具有明顯抑制作用。岳東霞等和金紅等將分離的TLP基因通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化馬鈴薯,篩選出對(duì)晚疫病菌表現(xiàn)出不同程度抑制作用和轉(zhuǎn)基因株系。周思軍等將幾丁質(zhì)酶基因通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)入馬鈴薯栽培種,獲得具有晚疫病抗性的轉(zhuǎn)基因植株。楊希才等將來(lái)自病原細(xì)菌的無(wú)毒基因avrD和elicitin基因通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)入馬鈴薯,獲得的轉(zhuǎn)基因植株中大多數(shù)對(duì)晚疫病菌的侵染具有較明顯的抗性,而對(duì)照植株則感病癥狀明顯。以上研究表明,分子育種將成為馬鈴薯抗晚疫病育種的一種主要的途徑,能夠有效克服因有性雜交引起的生殖隔離等問(wèn)題。2茄科青枯病防治技術(shù)研究青枯病是由青枯病菌(Ralstoniasolanacearum)引起的一種細(xì)菌性土傳病害,是馬鈴薯生產(chǎn)上僅次于晚疫病的世界性第二大病害。目前,在生產(chǎn)上對(duì)于青枯病尚無(wú)有效的防治措施,現(xiàn)有的藥劑僅能起到延緩發(fā)病的作用,且易造成環(huán)境污染和病原菌抗性小種突變。雖然關(guān)于茄科青枯病防治措施的研究目前已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道,包括:利用噬菌體或者芽孢桿菌進(jìn)行生物防治[25~26],向土壤中添加賴(lài)氨酸和絲氨酸、巖石粉,在植物根部施加香紫蘇醇和松香醇,用蘇云金桿菌的濾液處理根系以及用包含1,3,4-惡二唑的砜衍生物進(jìn)行防治等,但是綜合考慮成本、效果和安全性等因素,該研究成果的推廣應(yīng)用前景尚不明確。因此,選育青枯病抗性品種仍是最為經(jīng)濟(jì)有效的途徑之一。2.1抗青枯病種植目前,國(guó)內(nèi)外通過(guò)常規(guī)雜交育種方法已育成了多個(gè)抗青枯病的馬鈴薯新品種。何禮遠(yuǎn)等通過(guò)長(zhǎng)期系統(tǒng)選育,從國(guó)際馬鈴薯中心引進(jìn)材料的實(shí)生籽后代中選育出對(duì)青枯病具有高抗性的新品種‘抗青9-1’。Carputo等利用抗青枯病的二倍體野生種S.commersonii與普通栽培種S.tuberosum進(jìn)行雜交,其F1代中出現(xiàn)對(duì)青枯病具有良好抗性的株系。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將馬鈴薯二倍體材料與抗青枯病野生種S.chacoense雜交,獲得了抗青枯病的有性雜交群體。由于青枯病病原菌與寄主植物間的相互作用機(jī)制復(fù)雜,且馬鈴薯青枯病的抗源材料較少(目前在馬鈴薯普通栽培種中尚未發(fā)現(xiàn)青枯病的有效抗源),因此,應(yīng)用常規(guī)育種方法獲得馬鈴薯青枯病抗性新材料進(jìn)展相當(dāng)緩慢。2.2抗青枯病能力相關(guān)資料顯示,馬鈴薯青枯病抗性是由多基因控制的。有研究認(rèn)為至少有3個(gè)不連鎖的顯性基因參與了青枯病抗性控制,也有研究認(rèn)為至少有4個(gè)主效基因參與了馬鈴薯抗青枯病反應(yīng)。對(duì)于轉(zhuǎn)移這種多基因控制的性狀,運(yùn)用體細(xì)胞雜交技術(shù)更能有效克服有性雜交的生殖隔離障礙。Laferriere等利用野生種S.commersonii與栽培種雙單體融合,再生雜種植物的抗青枯病水平顯著高于對(duì)照品種;Fock等利用原始栽培種S.phureja與栽培種雙單體進(jìn)行融合,成功地將抗性基因從原始栽培種轉(zhuǎn)移至栽培種;Fock等利用野生種S.stenotomum與栽培種cv.BF15進(jìn)行融合得到了類(lèi)似的結(jié)果。蔡興奎對(duì)馬鈴薯原生質(zhì)體電融合參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,將具有青枯病抗性基因的野生種S.chacosense與栽培種進(jìn)行原生質(zhì)體融合,在獲得的154個(gè)體細(xì)胞雜種株系中,50%的株系產(chǎn)生了抗性,其中,12.1%的株系表現(xiàn)出比野生種親本更高的抗性水平,這是目前國(guó)內(nèi)首例將馬鈴薯原生質(zhì)體進(jìn)行融合并成功培養(yǎng)的報(bào)道。2.3抗菌肽基因?qū)腭R鈴薯生長(zhǎng)特性原生質(zhì)體融合能有效地轉(zhuǎn)移野生種的抗性性狀,但也帶有育性及不需要的農(nóng)藝性狀的轉(zhuǎn)移問(wèn)題;而轉(zhuǎn)基因技術(shù)是對(duì)靶基因直接進(jìn)行操作,可以有效地避免上述問(wèn)題。賈士榮等通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化將抗菌肽基因?qū)腭R鈴薯栽培種,篩選獲得3個(gè)抗性顯著增加的株系。Yuan等從馬鈴薯原始栽培種S.phureja的雜交后代中分離出一種抗青枯病菌的蛋白AP1;隨后,馮潔等克隆得到該基因的全長(zhǎng)編碼序列;但是梁成罡等將該基因在馬鈴薯感病品種中超量表達(dá)后所得到的轉(zhuǎn)基因植株的青枯病抗性無(wú)顯著提高,僅表現(xiàn)為發(fā)病延遲;而梁遠(yuǎn)發(fā)等將抗菌肽基因轉(zhuǎn)入米拉等原始材料獲得的轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)出高抗青枯病。由此可以看出,AP1蛋白基因在不同載體中的抗性表現(xiàn)不盡一致,其作用機(jī)制和利用研究還有待進(jìn)一步完善。3馬鈴薯抗體病的育種目標(biāo)病毒病(PotatoVirus)是馬鈴薯的主要病害之一。目前,已經(jīng)侵染馬鈴薯的病毒至少有40種以上。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每年世界上因馬鈴薯病毒造成的產(chǎn)量損失在20%~50%,嚴(yán)重的減產(chǎn)達(dá)到80%以上。病毒病不僅造成馬鈴薯大量減產(chǎn),同時(shí)也引起塊莖質(zhì)量大幅度降低,馬鈴薯抗病毒病育種能有效地控制病毒對(duì)馬鈴薯的危害,但不同地區(qū)病毒病發(fā)生的種類(lèi)不一樣,因此,育種目標(biāo)也存在一定的差異。如,我國(guó)北方地區(qū)主要針對(duì)PVX、PVY和PSTV病毒進(jìn)行抗性育種,而中原北區(qū)和南方主要針對(duì)PVX、PVY和PLRV病毒進(jìn)行抗性育種[46~47]。3.1抗pvlv系選育及選育雜交轉(zhuǎn)育是馬鈴薯抗病毒病較為常規(guī)的育種方法之一。即通過(guò)深入研究,摸清育種材料的遺傳規(guī)律,鑒選出抗病毒材料,再利用這些抗病毒材料與其他四倍體栽培種進(jìn)行雜交,實(shí)現(xiàn)目的基因的轉(zhuǎn)入,從而獲得抗病毒病的新品系(種)。尹江等在馬鈴薯抗PLRV育種研究中指出,選擇一般配合力負(fù)值較高的母本和特殊配合力負(fù)值較高的組合是獲得高抗PLRV后代的前提。孫慧生在馬鈴薯抗PVY育種中指出,利用Schwalbe(燕子)作為親本之一的組合能夠獲得對(duì)PVY具有較強(qiáng)田間抗性的雜交后代。徐成勇等以Schwalbe作母本、56-2作父本進(jìn)行有性雜交獲得實(shí)生籽,經(jīng)過(guò)多代鑒定篩選育成新品種川涼薯4號(hào),具有高抗輕花葉病毒病和卷葉病毒病等特點(diǎn)。Valkonen等用一個(gè)對(duì)PVX、PVY、PVA具有過(guò)敏性抗性的普通栽培種與具有功能性抗性的能減緩病毒在細(xì)胞間移動(dòng)速度的野生種S.brevidens進(jìn)行體細(xì)胞雜交,形成雜種植株,研究表明,親本的2個(gè)不同抗病毒特性在雜種中均有所表達(dá)。3.2馬鈴薯抗病劑選育研究與常規(guī)育種相比,誘變育種在創(chuàng)造或改變單基因控制的特殊性狀方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前,在馬鈴薯育種中誘變已成為獲得遺傳多樣性以及優(yōu)良性狀的一種有效的方法,其中,應(yīng)用最廣、研究最多的是通過(guò)物理、化學(xué)誘變改良馬鈴薯品質(zhì)性狀、提高馬鈴薯的抗逆性等方面[52~53],而采用誘變抗病育種的研究相對(duì)缺乏。在馬鈴薯抗病毒病誘變育種中,誘變劑處理可以使病毒敏感型植株發(fā)生突變而獲得抗性。Gopal通過(guò)離體誘變克隆出抗卷病毒;Cavatorta等對(duì)馬鈴薯的eIF4E基因進(jìn)行定點(diǎn)誘變,獲得抗病毒的馬鈴薯品種。盡管誘變處理在營(yíng)養(yǎng)繁殖的作物育種中具有優(yōu)勢(shì),但由于常伴有一些不需要的變異產(chǎn)生,且后代性狀分離不穩(wěn)定。因此,目前主要是在離體條件下通過(guò)小孢子培養(yǎng)、花培、體細(xì)胞和原生質(zhì)體再生等途徑選育抗病毒的材料。3.3選育抗pvx基因馬鈴薯抗病毒病的基因廣泛存在于野生種和原始栽培種中,但馬鈴薯原始栽培種和野生種多為二倍體,而普通栽培種為四倍體,兩者之間存在雜交不親和現(xiàn)象,極大地限制了二倍體資源的利用,通過(guò)倍性操作可以有效地規(guī)避這一問(wèn)題,使二倍體野生材料中的優(yōu)良性狀資源得到利用。利用2n配子可以將二倍體的抗性直接轉(zhuǎn)育到四倍體品種中,也可先將二倍體材料通過(guò)化學(xué)方法(如秋水仙素)加倍,再與普通栽培種雜交達(dá)到轉(zhuǎn)育抗病基因的目的。郜剛等將通過(guò)孤雌生殖誘導(dǎo)得到的4份材料進(jìn)行4x-2x雜種的創(chuàng)新,成功將野生種的抗馬鈴薯PVX、PVY、PLRV基因?qū)朐耘喾N。Bendahmane等將野生種S.chacoense、S.demissum、S.stoleniferum和S.acaule通過(guò)秋水仙素處理加倍后應(yīng)用于抗病育種,選育出抗PVY品系40份,抗PVX品系35份。晁祥健等通過(guò)倍性育種將部分二倍體種質(zhì)的優(yōu)良性狀轉(zhuǎn)入四倍體馬鈴薯栽培種中獲得抗病毒材料。3.4馬鈴薯病毒基因在---plusv基因的擴(kuò)增和形成近年來(lái),轉(zhuǎn)基因技術(shù)己成為馬鈴薯抗病毒育種的重要途徑之一。Hemenway等1988年首次將PVX病毒的外殼蛋白轉(zhuǎn)入到馬鈴薯植株中,得到抗PVX的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯。Tacke等用病毒轉(zhuǎn)移蛋白基因轉(zhuǎn)化馬鈴薯,降低了轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)PLRV、PVY和PVX病毒的累積。Barker等將PLRV聚合酶基因?qū)腭R鈴薯,得到抗馬鈴薯卷葉病毒的轉(zhuǎn)基因株系。另外,將來(lái)源于動(dòng)物或其他植物的外源抗病毒基因通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化導(dǎo)入馬鈴薯也可以獲得抗性種質(zhì)。Lodge等將PAP基因編碼區(qū)在馬鈴薯栽培種RussetBurbank中表達(dá),所得轉(zhuǎn)基因植株對(duì)PVY和PVX具有一定的抗性。我國(guó)在馬鈴薯轉(zhuǎn)基因育種方面也取得了較大的進(jìn)展,目前已完成病毒外殼蛋白(coat-protein,CP)基因、蛋白酶基因、復(fù)制酶基因和基因調(diào)控序列核酶等基因的克隆與合成,并通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化等途徑得到一批具有病毒病抗性的馬鈴薯材料