玉米种质资源大规模多年多点多病害的自然发病抗性鉴定

　　摘要：病害是影响玉米生产的重要因素。利用品种的抗性是控制玉米病害的经济、安全和有效措施。2016—2019年间，在黄淮海和东华北地区，首次对2000份来源广泛且遗传背景丰富的玉米种质资源进行了多年多点多病害的田间自然发生条件下抗病性鉴定，部分材料在西北地区也进行了田间鉴定，重点调查了小斑病、茎腐病、瘤黑粉病、弯孢叶斑病、南方锈病、粗缩病、大斑病、灰斑病和丝黑穗病的抗病性。综合4年共10个不同环境的自然发病下抗性鉴定数据表明，自然发病鉴定的结果受环境因素影响较大，表现为年度间和地域间的差异。

　　在所有鉴定的病害中，小斑病在多个年份和多个鉴定点的发病均比较充分，11份种质对该病害表现出稳定抗性;茎腐病、大斑病和灰斑病，在不同年份的部分鉴定点发病较为充分，对这3种病害表现抗病的种质分别为440、356和423份，综合抗性鉴定结果具有较大的参考价值;弯孢叶斑病、瘤黑粉病和粗缩病仅在1个鉴定点发病较为充分，南方锈病和丝黑穗病在所有鉴定点均发生较轻，鉴定结果有待进一步验证。本研究筛选出一批在不同环境条件下对多种病害均具有稳定抗性的材料，其中JN15、953、沈977、68122、K21、SC24-1、17MC7211、17MC7223、郑591、161191等种质的综合抗性突出，对种质的利用及后续人工接种精准鉴定的种质选择具重要参考价值。

　　关键词：玉米种质;病害;多年多点;自然发病鉴定

　　玉米(ZeamaysL.)是我国主要的粮食和饲料作物，也是重要的工业原料和能源植物，在国民经济和农业生产中占有重要地位，2012年玉米播种面积为3503万公顷，总产量20,561.4万吨，分别为谷物总种植面积和总产量的37.82%和38.12%，超越水稻成为我国第一大粮食作物(http://www.stats.gov.cn/tjsj//2013/indexch.htm);2015年玉米播种面积和总产均创历史新高，分别达到3811.9万公顷和22,463.2万吨(http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2016/indexch.htm)。因此，玉米生产的稳定性和安全性直接影响到我国粮食作物的生产安全和延伸产业的健康发展。近年来，随着农业种植业结构调整和耕作栽培方式转变、玉米品种更替以及全球性气候变暖，玉米病虫害发生呈持续加重趋势，已成为制约玉米高产稳产的重要因素[1-3]。据估测和统计，全球因病虫害造成的玉米产量损失达19.5%~41.1%，而随着未来环境温度的上升，病虫害对玉米造成的损失将进一步加剧[1,3]。我国玉米主要病虫害带来的产量损失总量自2010开始已持续超过了水稻病虫害引发的水稻产量损失总量[4]。因此，控制玉米病虫害，对于保障玉米的安全生产，具有十分重要的意义。

　　目前，我国生产上常见的重要病害主要包括小斑病、大斑病、茎腐病(腐霉茎腐病、镰孢茎腐病)、穗腐病(拟轮枝镰孢穗腐病、禾谷镰孢穗腐病)、粗缩病、纹枯病、瘤黑粉病、丝黑穗病、南方锈病、灰斑病和弯孢叶斑病等，其中黄淮海地区以小斑病、茎腐病、穗腐病、瘤黑粉病、南方锈病、弯孢叶斑病和粗缩病为主，东北地区以大斑病、茎腐病、穗腐病、灰斑病和丝黑穗病为主，上述病害常年或间歇性大发生，给我国玉米生产造成了重大的损失。其中小斑病感病品种在一般发病年份减产10%以上，严重发生年份减产20%~30%[5]。1970年，由于小斑病菌T小种的流行，美国许多田块产量损失80%以上，甚至引起绝产，损失达165亿千克，价值10亿美元[6]。大斑病在流行年份，感病品种的损失可达30%，甚至高达50%以上，黑龙江省每年因大斑病而造成产量损失6万~9万吨。我国曾在20世纪70年代初期、90年代初期、2003—2006年以及2012—2013年发生大斑病的流行[7-9]。在东北和西南地区，玉米灰斑病爆发时产量损失10%~60%，局部地区减产80%[9-12]。

　　20世纪90年代，弯孢叶斑病在河北省发生面积达1.3万公顷以上，减产20%~60%，1996年，该病在辽宁省暴发面积高达16.8万公顷，损失玉米约2.5亿千克[5,13]。南方锈病一般造成玉米减产20%~30%，重者可达80%以上，甚至绝收[14-15]。茎腐病田间发病率通常为5%~10%，在病害重发年份，田间发病率为20%~30%，一些感病品种的发病率为40%~80%，可以引起30%以上的产量损失[16-17]。玉米穗腐病的发病率通常为5%~10%，重发年份为30%~40%，感病品种可高达50%以上，产量损失更高达30%~40%[18-19]。除籽粒腐烂造成产量损失外，其致病镰孢菌能够产生多种毒素，如伏马毒素、呕吐毒素和赤霉烯酮等，降低玉米品质，给食品与饲料安全带来重大隐患，直接威胁到人畜健康[20-24]。众多研究和实践证明，利用抗病品种是控制玉米病害的经济、安全而有效的措施[5,19,25-28]。优异的抗性种质是抗病品种选育的前提和基础。

　　为此，国内外开展了一系列玉米大斑病、小斑病、灰斑病、南方锈病、粗缩病、纹枯病、茎腐病和穗腐病等重要病害的抗性鉴定与评价工作，筛选出一批抗性种质，在此基础上，培育出一些抗病品种或创新种质，并用于生产实践，对抑制相关病害的流行和发展起到了十分重要的作用[15,17,19,25-35]。然而，我国幅员辽阔，生态坏境复杂多变，导致病害种类繁多，致病菌变异分化较大，因此，现有的抗病品种根本不足以满足生产的需求，各生态区病害仍然频发，抗病品种选育和应用任重道远。我国玉米种质资源的保藏量十分丰富，但大部分种质资源都未进行充分的抗病鉴定和用于抗病育种，且以往的抗病鉴定工作大多在固定的鉴定圃完成，很少开展多年多点的鉴定，因此，不能明确所鉴定种质在不同年份和不同环境下的抗性表现。

　　本研究在2016—2019年间，开展了玉米种质资源大规模多年多点的田间自然发病鉴定，对2000余份来源广泛、具有丰富遗传多样性的玉米种质资源进行了抗小斑病、茎腐病、大斑病、灰斑病、南方锈病、瘤黑粉病、弯孢叶斑病和粗缩病的自然发病鉴定，以期明确这些种质在大田正常生长条件和环境下，在不同年份以及不同地点，对某种病害的抗性水平以及对不同类型病害的综合抗性;在此基础上，结合这些种质的农艺性状表型，筛选出400~500份综合性状较为突出的代表性种质，用于多年多点的人工接种抗病鉴定，以获得精确的抗病鉴定表型数据，筛选出不同年份和不同环境下均有稳定抗性表现的玉米种质，为抗病育种提供了可利用的抗性资源。

　　1材料与方法

　　1.1供试植物材料

　　由国家重点研发计划“玉米种质资源精准鉴定与创新利用”项目组提供的2000份来源广泛且具有丰富遗传多样性的玉米自交系。

　　1.2田间试验设计及管理

　　田间自然发病鉴定地点均设置在玉米主产区，包括河南原阳(113°97′E,35°05′N)、山东章丘(117°30′E,36°43′N)、北京顺义(116°34'E,40°13'N)、北京房山(116°04′E,39°38′N)、辽宁沈阳(123°58′E,42°04′N)、吉林公主岭(124°48'E,43°30'N)、黑龙江哈尔滨(126°63′E,45°75′N)、山西定襄(112°54′E,38°33′N)、甘肃张掖(100°36'E,38°83'N)和陕西咸阳(108°09′E,34°03′N)。采取随机排列，3m行长，单行种植，2~3次重复。定苗时控制植株密度为60,000~67,500株hm-2。采用双小区(背靠背)种植(中间种植高粱或留40cm的小过道)，80cm宽的观察道。选择具有代表性，中上等肥力水平试验地。试验田平整、平坦，施肥水平及其他管理与当地生产水平相当。在土壤湿度适宜时播种，力保全苗。播种后，及时施用一次苗前除草剂。生长季内，不喷施杀菌剂。

　　1.3田间病害自然发生状况

　　在玉米生长后期(乳熟末期至蜡熟期)，对各生态区的自然发病鉴定圃和代表性的周边生产大田进行病害普查，重点调查主要病害的发生程度，记录病害级别或发病率，明确该年份不同生态区田间玉米病害自然发生的状况。

　　1.4病害鉴定与评价

　　1.4.1叶部真菌病害

　　主要鉴定2000份玉米种质对小斑病、弯孢叶斑病、南方锈病、大斑病和灰斑病的田间抗病性。所有鉴定玉米材料生长期内自然发病，在蜡熟期采用目测法调查发病情况，参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范”的病情调查和评价标准，记载每个品种的病级，进行抗性评价。参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第2部分：玉米抗小斑病鉴定技术规范(NY/T1248.2-2006)”进行小斑病自然发病鉴定[36]，重点调查“棒三叶”(穗位叶、穗下第1叶和穗上第1叶)的发病状况。参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第10部分：弯孢叶斑病(NY/T1248.10-2016)”鉴定弯孢叶斑病抗性[37]，重点调查玉米穗位叶及其上方3个叶片的发病程度。参照陈文娟等[15,38]的方法鉴定南方锈病抗性，重点调查“棒三叶”(穗位叶、穗下第1叶和穗上第1叶)的发病情况。参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第1部分：玉米抗大斑病鉴定技术规范(NY/T1248.1-2006)”鉴定大斑病[39]，重点调查玉米穗位叶及其上方3个叶片的病级。参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第11部分：灰斑病(NY/T1248.11-2016)”鉴定灰斑病[40]，重点调查玉米穗位叶及其上方3个叶片的发病情况。

　　1.4.2茎部真菌病害

　　参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第6部分：腐霉茎腐病(NY/T1248.6-2016)”和“玉米抗病虫性鉴定技术规范第7部分：镰孢茎腐病(NY/T1248.7-2016)”鉴定自然发病条件下玉米种质对茎腐病的抗性[41,42]。生长期间自然发病，蜡熟后期采用目测典型症状如植株明显枯黄/枯死/果穗倒挂等，结合手捏法调查。茎基部变软、空松，能用手捏动植株判定为发病株。调查发病株数、总株数，计算发病率，进行抗性评价。

　　1.4.3穗部真菌病害

　　分别参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第12部分：瘤黑粉病(NY/T1248.12-2016)”和“玉米抗病虫性鉴定技术规范第3部分：玉米抗丝黑穗病鉴定技术规范(NY/T1248.3-2006)”鉴定2000份玉米种质对瘤黑粉病和丝黑穗病的抗性[43,44]。生长期间自然发病，乳熟期进行病害调查，调查发病株数、总株数，计算发病率。

　　1.4.4病毒病

　　参照“玉米抗病虫性鉴定技术规范第13部分：粗缩病(NY/T1248.13-2016)”鉴定玉米种质在自然发病条件下对粗缩病的抗性[45]。生长期间自然感病，在大喇叭口期至灌浆期调查发病情况，植株出现典型粗缩病症状即为发病株。调查发病株数、总株数，计算发病率。

　　2结果与分析

　　2.1田间玉米病害自然发生状况

　　2016—2019年间，对各自然发病鉴定圃和周边大田生产上的玉米病害发生状况调查表明，在田间自然发病的条件下，玉米病害的发生程度在年度间和地域间表现出较大的差异。2016年，黄淮海地区玉米自交系上的小斑病发生较重，其他病害自然发生较轻。2017年，黄淮海地区自交系的小斑病严重发生，茎腐病、瘤黑粉病和穗腐病偏重发生;东华北地区茎腐病和灰斑病发生较重，其余病害发生偏轻;西北部分地区茎腐病偏重发生。

　　2018年，黄淮海地区小斑病总体发生较重，弯孢叶斑病在部分区域偏重发生，穗腐病普遍发生，茎腐病偏重发生;东华北部分区域茎腐病发生较重，其余病害发生较轻;西北试验点大斑病和茎腐病发生较重。2019年，黄淮海地区小斑病和弯孢叶斑病中等偏重发生，粗缩病发生较重，其余病害发生轻微;东华北地区大斑病和灰斑病发生较重，部分地区茎腐病发生较重，其余病害偏轻发生;西北地区部分区域茎腐病和大斑病发生偏重，其余病害轻微发生。

　　2.2玉米种质对重要病害的自然发病鉴定与评价

　　2.2.1小斑病鉴定

　　小斑病是夏玉米区生产上的重要病害，重点调查河南原阳、山东章丘、北京顺义和房山鉴定圃的发病情况表明，2016—2019年间，小斑病自然发病整体较重，在2000份自交系中，表现感病和高感的种质占总鉴定材料的50%以上，但在不同年份间和不同环境下，发病程度差异较大，2016—2017年，各鉴定点小斑病均发生严重，2018—2019年相对较轻，其中2017年山东章丘发生最为严重，2000份材料中对小斑病表现高感和感病的种质分别占47.9%和44.7%，其次是2017年河南原阳，高感和感病材料分别占36.7%和36.5%;此外，2016年北京房山和2018年北京顺义，小斑病自然发病均比较充分。通过对4年各个鉴定点的抗性鉴定分析，H599a、MC7470、W-25、绵983等11份种质对小斑病的综合抗性表现稳定，在各年各点对小斑病的抗性均表现为中抗至高抗水平。

　　2.2.2弯孢叶斑病鉴定

　　弯孢叶斑病是夏玉米区常见的叶斑病，2016—2019年间，主要调查了河南原阳、山东章丘、北京顺义和北京房山鉴定点的发病情况，表明各年份和各鉴定点的弯孢叶斑病发生整体较轻，仅2019年北京顺义发生较重，2000份自交系中，对弯孢叶斑病表现感病和高感的种质占比分别为20.5%和0.6%。由于这4年其他各鉴定点的材料发病程度轻微，因此该病害自然发病鉴定的结果仅供参考。

　　2.2.3南方锈病鉴定

　　南方锈病是我国夏玉米区和热带亚热带玉米区的重要病害，受热带气旋的活动路径影响较大。2016—2019年期间，黄淮海夏玉米区没有发生南方锈病大范围流行事件，只在局部地区的一些材料被害严重。河南原阳、山东章丘、北京顺义和北京房山4个鉴定点在4年间的发病程度轻微，感病和高感南方锈病的种质占比分别为16.3%和2.7%，玉米种质HRB16169、HRB16198、M15208、C8605-2、ZK02-1、吉资1134、陇1471、陇1247、陇1472、M15208、自330、辽3162、PHG39等高感南方锈病。由于2016—2019年间各个鉴定圃的自然发病均不充分，因此，除了感病材料的数据能真实体现该种质的抗性水平外，抗病种质的数据仅供参考。

　　3讨论

　　玉米作为我国第一大粮饲兼用作物，在农业生产中占有极其重要的地位。保障玉米安全生产，降低生产成本，不断提高玉米的产量和品质，对于促进玉米产业的健康发展具有重要意义。病害是玉米生产上的重要限制因子，已成为制约我国玉米高产稳产的重要因素，严重威胁玉米的安全生产和产业的健康发展。2002年东北地区因丝黑穗病大发生减产13万吨;2008年山东玉米粗缩病发生面积达186.7万公顷，重病区济宁市因病减产56.6万吨，直接损失9.1亿元;2012年全国因大斑病的暴发造成减产46.6万吨[46]。因此，控制玉米病害，对于保障玉米的安全生产具有重要意义。

　　国内外大量的生产实践和研究表明，利用抗性品种是防治玉米病害的经济有效措施。在20世纪70年代中后期，北方春玉米区大斑病严重发生，导致玉米减产约17亿千克;20世纪80年代后，因推广应用抗大斑病品种沈单7号、掖单13和丹玉13等，大斑病为害基本得到控制;但由于抗病品种的抗源较为单一，抗性被新的生理小种克服，20世纪90年代初、2003—2004年以及2012—2014年，大斑病再次大范围严重发生，给玉米生产造成重大损失[7-8,47]。

　　因此，培育具有多抗性、持久抗性的品种逐渐成为育种家的一个重要目标。鉴于玉米病害对生产为害的严重性以及品种抗性的重要性，在国家玉米新品种审定标准中，必须针对品种所在生态区的重要病害进行抗病鉴定，以明确新培育品种对适生区域内主要病害的抗性水平以及推广后可能出现的生产风险。对于常发的重要病害，实行高感品种“一票否决”制。目前，在我国所有玉米生态区，对高感茎腐病或穗腐病的品种实行一票否决;除此之外，在黄淮海和京津冀夏玉米区，对高感小斑病的品种也实行一票否决，在东华北春玉米区，对高感大斑病的品种实行一票否决，在西南春玉米类区和热带亚热带玉米区，对高感纹枯病、大斑病的品种实行一票否决等。因此，抗病性已成为玉米新品种不可或缺的特性。

　　近年来，玉米种质和品种的抗病性鉴定与抗病品种的推广得到了社会的广泛认可。特别是经历了玉米生产上数次病害大流行的洗礼，如2003—2016年西南地区灰斑病流行、2007—2008年黄淮海地区粗缩病流行[46]、2007—2008以及2015年的黄淮海地区南方锈病大流行[38,46]、2016年西北地区与2017年黄淮海地区的茎腐病流行等[48-49]，无不给玉米生产造成严重损失。正因为病害流行所造成的灾难性后果，使育种工作者、农民和玉米育种企业对于品种抗病性认识空前提高，在2017年和2018年的玉米市场，抗病性已经成为种业公司推广品种和农户选择品种的最重要指标之一。种质资源是玉米抗病育种的重要物质基础，是保障国家粮食安全和种业健康发展的战略资源，而资源的表型精准鉴定是有效利用玉米种质的重要途径和策略。

　　国内外均十分重视玉米种质资源的抗病鉴定与评价工作，针对不同病害开展了一系列抗性鉴定研究，筛选出一些抗病种质，在此基础上，开展抗病种质创制和抗病品种选育与利用，对于相关病害的控制起到了十分积极的作用。然而，以往的大部分抗性鉴定工作都是在固定的鉴定圃完成的，很少涉及到多年多点的鉴定与评价，而玉米病害的发生程度受环境影响较大，因此，上述研究中筛选出的种质能否在不同环境条件和不同生态区都表现出稳定的抗性，尚未可知，况且，在当前生产中仍普遍存在大量对各类病害高度敏感的品种，一旦条件适宜，病害将暴发流行，对玉米生产造成严重损失。

　　因此，对具有广泛遗传背景的玉米种质资源，开展多年多点的大规模抗病鉴定，筛选具有不同遗传背景且抗性稳定的种质，对于促进抗病育种，加速抗性种质的高效利用，具有重要意义。本研究筛选出一批在不同年份和不同环境条件下都具有稳定抗性的突出种质，同时，也获得了一些对不同病害具有兼抗性的种质。对如此大规模玉米种质资源进行4年多环境的自然发病抗性鉴定，在国内外尚属首次。

　　尽管与人工接种鉴定相比，田间自然发病鉴定确实存在一些不确定性，如不能保证同一批次的材料都感染病原菌、病原菌侵染与玉米敏感生育期能否吻合、田间环境完全不可控、表型受环境影响更大等;但由于对同一批材料进行了连续4年的鉴定，每年都设置3~8个具有不同环境条件的鉴定点，而且田间自然发病鉴定的条件与大田生产品种所处的环境完全一致，在某种意义上讲，自然发病鉴定的结果更接近于田间真实的抗性水平。因此，多年多点的自然发病抗性鉴定结果具有较大的参考价值，尤其对于某种病害在多个点的发病均较为充分的材料，鉴定结果更能反映出真实的抗性水平。

　　我们将鉴定圃设置在我国玉米种植面积最大的东华北和黄淮海地区(由于人力和经费等客观条件的限制，西北地区只对部分材料进行了鉴定)，重点调查了黄淮海和东华北地区玉米生产上的主要病害，包括小斑病、茎腐病、瘤黑粉病、弯孢叶斑病、南方锈病、大斑病、灰斑病、粗缩病、丝黑穗病等9种病害，其中黄淮海地区重点鉴定了小斑病、茎腐病、瘤黑粉病、弯孢叶斑病、南方锈病和粗缩病的发病程度，东华北地区主要鉴定了茎腐病、大斑病、灰斑病和丝黑穗病的自然发病状况。穗腐病也是各个生态区玉米生产上的重要病害，但由于本研究中的2000份玉米种质，除用于自然发病鉴定外，还进行部分农艺性状的鉴定如穗柄长、苞叶片数、苞叶长、穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重等，而穗腐病调查时需要剥掉苞叶，逐穗查看，为了不影响上述农艺性状的鉴定，因此没有进行穗腐病调查。

　　小斑病在多个年份和多个鉴定点的发病程度均比较充分，故小斑病的抗鉴结果能较为真实地反映该种质的抗性水平;其次是茎腐病、大斑病和灰斑病，在部分鉴定点发病较为充分，综合抗鉴结果具有较大的参考价值;粗缩病、弯孢叶斑病和瘤黑粉病仅有1个点发病较为充分，而丝黑穗病和南方锈病在2016—2019年的各个点发病程度均比较轻，因此，除了感病数据外，鉴定为抗病种质的结果仅供参考。通过对2000份遗传背景丰富的种质进行多年多点的大规模自然发病鉴定，结合相关农艺性状，我们筛选出约500份代表性种质，用于后续的人工接种抗性精准鉴定，进一步明确其在不同环境下的抗性水平，筛选出不同年份和不同环境下对某种病害或几种病害具有稳定抗性的玉米种质，为抗病育种提供物质基础。研究结果将加速抗病品种的选育与推广应用，对于减少农药使用量、降低生产成本和增加生产效益具有积极的意义。

　　4结论

　　在黄淮海和东华北地区，首次对2000份来源广泛且遗传背景丰富的玉米种质资源进行了多年多点以小斑病、茎腐病、瘤黑粉病、弯孢叶斑病、南方锈病、粗缩病、大斑病、灰斑病和丝黑穗病为重点的田间自然发病抗性鉴定。鉴定结果受环境因素影响较大。小斑病在多个年份和多个鉴定点的发病程度均比较充分，茎腐病、大斑病和灰斑病，在不同年份的部分鉴定点发病较为充分，其综合抗鉴结果具有较大的参考价值。通过4年10个不同环境的大规模自然发病鉴定，筛选出一批在不同环境条件下均具有稳定抗性的种质，为抗性种质的利用以及后续人工接种精准鉴定的种质选择提供了重要参考。

　　玉米种植论文投稿刊物：玉米科学主要报道：遗传育种、品种资源、耕作栽培、生理生化、生物工程、土壤肥料、专家论坛、国内外玉米科研动态、新品种信息等方面的内容，适合科研、教学、生产及管理方面的人员。