大豆胞囊线虫病研究进展
大豆孢囊线虫病研究进展
杜志强
(黑龙江省农业科学院 大庆分院 , 黑龙江 大庆 163316)
摘要:本文综述了大豆孢囊病的发生与危害、大豆胞囊线虫病的病原及生物学特性、抗大豆孢囊线虫病品种资源的筛选和鉴定; 抗大豆孢囊线虫病品种的选育。并对该研究领域的发展趋势进行展望。 关键词:大豆;大豆孢囊线虫;筛选;抗病育种
大豆胞囊线虫病(Soybean Cyst Nematode,简称SCN), 是由大豆胞囊线虫(Heterodera glycinesIchinohe)侵染引起的,是危害世界大豆(Glycine max (L.) Merr.)生产最严重的病害之一[1],其特点是分布广、危害重、寄主范围宽、传播途径多、休眠体(胞囊)存活时间长,是一种极难防治的土传病害。在我国东北和黄、淮、海大豆产区发生较普遍,一般可使大豆减产5%~10%,严重的可达30%以上,甚至绝产[2]。该病目前是世界各大豆生产国大豆生产的主要障碍,因此,该病的研究一直受到重视。
1大豆胞囊线虫病发现、分布及危害
1.1 大豆胞囊线虫病的发现
据戴芳澜《中国经济植物病原目录》记载,大豆胞囊线虫最早在中国发现,1899 年俄国植物病理学家雅切夫斯基(Jaczevski)等在我国东北地区西部报道发现大豆根线虫, 当时命名为Heteroderaschachtti,即甜菜胞囊线虫(戴芳澜等,1958)。1915年日本掘正太郎(Hori)在日本福岛附近发现胞囊线虫病,称嫌地病,又叫萎黄病。1952 年日本学者一户稔(Ichinohe)将大豆胞囊线虫单独列为一个种,定名为Heterodera glycines Ichinohe,即大豆胞囊线虫。1936 年在朝鲜发现,美国1954 年首次报道在北卡罗莱纳州发现大豆胞囊线虫病。1968 年埃及在尼罗河的金岛上发现,1978 年前苏联在黑龙江流域发现,1983 年在哥伦比亚发现,1984 年在印度尼西亚发现,1987 年在加拿大的安大略省发现(刘维志,2000),阿根廷也报道发现大豆胞囊线虫[3],巴西也有该病的报道(Yorinori,1999),其中危害较重的是美国、日本和中国。
1.2大豆胞囊线虫病的分布
大豆起源于中国,后来传入其它国家,人们推测大豆孢子囊线虫病最早发生于中国,后来传入其它国家。目前生发生大豆孢囊线虫并有报道的国家有:中国、日本、美国、、美国、朝鲜、韩国、加拿大、哥伦比亚、印度尼西亚、俄罗斯和埃及。在我国大豆胞囊线虫发生的省份有:黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、河南、山东、山西、陕西、安徽、北京、江苏等省市(刘维志等,1984;刘汉起
等,1987;吴海燕等,2001)。目前我国鉴定出的小种有1、2、3、4、5和7号。1号小种主要分布在辽宁、吉林、山东潍坊及胶东半岛、江苏等省大豆生产地县;2号小种主要分布在山东省的聊城、德州等地区;3号小种主要分布在黑龙江、吉林、辽宁等省大豆主产地区。4号小种主要分布在山西、河南、江苏、山东、安徽、河北及北京等省市大豆主产地区;5号小种分布在吉林、安徽、内蒙古等地县;7号小种分布在山东、河南大豆产区。
1.3大豆胞囊线虫病的危害
在我国大豆胞囊线虫减产5%~10%,严重发生地块减产30%以上,甚至颗粒无收[4]。李国桢(1987) 报道黑龙江省每年受害面积约66.7 万hm2,其中重病区主要分布在西部风沙、干旱、盐碱土地区,面积约13.3 万hm2,一般减产20%~30%,严重的达70%~80%,在吉林省白城地区大豆胞囊线虫病发病地块占调查地块的81%,发病重地块减产50%以上(周贵发等,1984)。刘汉起(1987)[5]根据大豆胞囊线虫发生分布和危害程度,将黑龙江省划分为3 个发生区:重发生区主要包括西部的肇东、肇州、肇源、安达、大庆、泰来、泰康、林甸、甘南、富裕、依安及拜泉、明水、青冈、兰西4 县的西部,此地区土壤多为盐碱土和风沙土,不太适于大豆生长,是黑龙江省大豆胞囊线虫的老区,常年因大豆胞囊线虫减产约在20%以上;中发生区主要包括萝北、绥滨、鹤岗、富锦、桦川、集贤、佳木斯、汤原等市县,该地区处于松花江下游,土质肥沃,适于大豆生长,因此病症较重发生区轻,但由于此地区是大豆主产区,轮作周期短,线虫繁殖快,所以危害较轻发生区重;轻发生区是除上述两区的其它市县,本地区约占全省大豆面积的70%,该地区土壤较肥沃,适于大豆生长,但该地区大豆多为3 a 以上的轮作,所以受害不重,但盐碱土区和重迎茬地块仍可严重受害。
2、大豆胞囊线虫病的病原及生物学特性
2.1大豆胞囊线虫病的病原
大豆胞囊线虫病是由大豆胞囊线虫Heteroderaglycines Ichinohe 引起。按照
Chitwood(1950)的分类系统, 大豆胞囊线虫在分类地位上属线虫纲Nematoda,垫刃目Tylenchida,按照Hooper(1978)的分类系统, 属垫刃亚目Tylenchina, 异皮总科
Heteroderidea,异皮亚科Heteroderinae,异皮线虫属Heterodera,由于形成胞囊,也称胞囊线虫属。
2.2大豆胞囊线虫病的病原生物学特性
这种病原线虫可分为卵、幼虫、成虫三个虫态, 卵为长椭圆形,呈淡黄白色, 大小为75-1 2 o x 37-44µ, 藏于卵囊或抱囊内。幼虫可分为四个龄期, 一龄幼虫在卵内发育, 蜕皮后成二龄幼虫去卵壳, 呈蠕虫状, 体细长透明,头部较粗、纯圆, 尾部稍长, 体长410-510µ, 宽15一20µ。三龄幼虫呈豆英形, 雌、雄虫外形无明显差别,只是雌虫生殖原基呈二分叉状, 雄虫生殖原基分叉不明显; 四龄幼虫雌雄外形明显可辩, 雌虫体长330 一410。脚宽为2 30 一37 即, 尾部有明显不状交合刺。形成成虫后, 雌成虫呈黄白色柠檬状— 即抱囊, 后期变为
深褐色, 体长340 一1200µ, 宽为230 一720µ, 孢子囊表面有不规则横向排列的短锯齿状花纹, 尾部阴门锥突起明显, 阴门位于突出的圆锥体上, 阴门锥体上具有细横纹及阴门裂。雄成虫线形透明, 头尾部较纯圆, 尾部微向腹侧弯曲, 有一对交合刺弯向腹侧, 体长1100-1400µ, 宽30-40µ。 [6]
3、大豆胞囊线虫生理分化
自然界中生物多样性为人们提供了选择和基因改造的资源。大豆品种中具有控制抗大豆胞囊线虫复杂的基因。多年来,中国大豆种植者在感染大豆胞囊线虫的土壤上选择了一些抗大豆胞囊线虫的品系,这些品系携带着抗大豆胞囊线虫的基因,大豆胞囊线虫群体具有丰富的遗传多样性。Fujita 等(1934)认为大豆胞囊线虫遗传多样性可分为亚种(H.schachii),后来Ross(1962)报道了美国北卡罗莱纳州大豆胞囊线虫群体与田纳西州大豆胞囊线虫群体 具有生理差别,来自北卡罗莱纳州的大豆胞囊线虫在大豆品种PI88788 上可繁殖,但来自田纳西州的大豆胞囊线虫则不能在此品系上繁殖。此后6 年间,Miller(1967),Smart(1968),Golden(1965),Riggs(1968)和Sugiyama(1968)等报道了美国弗吉尼亚、田纳西、阿肯色和日本的大豆胞囊线虫遗传多样性。此后人们又报道了由于大豆一直以高密度在广阔的 地域中种植,使大豆胞囊线虫群体内更多的遗传差异在不断地增加[7,8]。
4、抗大豆孢囊线虫病品种资源的筛选
70年代中期我国开始对SCN 的抗源筛选进行研究,吴和礼等( 1982)、刘汉起等
[10][9]( 1985)、张仁双等[11]( 1985)、刘维志等[12]( 1984)、李莹等[13] ( 1987) ,都对收集到的种质资源进行SCN抗源筛选,鉴定出一批免疫或高抗的资源。由于当时鉴定标准不统一,有的未按小种进行鉴定。为此, 1985年中国农科院品种资源所组织了全国大豆种质抗SCN 鉴定协作组,于1986— 1990年对全国1万余份大豆种质按统一的鉴定方法和分级标准,分别在1、3、4、5号SCN 生理小种地区,进行了抗性鉴定筛选。刘维志等( 1991)、李莹等( 1991)、马书君等( 1991)、张磊等( 1991、1992) ,对各自承担的1、3、4、5生理小种鉴定结果分别进行报道。1993年协作组对全国的鉴定结果做了总结。经过多年多点鉴定共筛选抗1号生理小种的品种有128份,其中免疫的16份,全部为黑豆; 抗1号小种的品种112份,其中黑豆占77份。抗3号生理小种的288份,免疫的30份,黑豆26份; 抗3号小种的258份,黑豆225份。抗4号小种的11份,黑豆9份,无免疫品种。抗5号生理小种的9份,全为黑豆。以上筛选出的抗源中,五寨黑豆和灰皮支黑豆兼抗1、3、4、5号生理小种。褐豆抗1号小种的10份; 对3号小种免疫的3份,抗的18份。对4号小种抗的2份。这是由于抗SCN的基因之一Rhg 4与控制深色种皮基因i紧密连锁。i基因存在,可使黑色或褐色遍及全种皮而成黑豆或褐豆,所以抗SCN 的品种绝大多数为黑豆或褐豆。
“八五”期间,李莹等对95份兼抗资源进行抗4号小种的稳定性鉴定,结果表明,“七五”
期间鉴定的高抗种质五寨黑豆、赤不流黑豆、山阴大黑豆、灰皮支黑豆、大黑豆(全国编号8510)、本地黑豆和元钵黑豆抗性稳定。此外, 还发现串山黄黑豆、黑豆(全国编号10253)和三股条黑豆高抗4号小种。同样, 1991— 1995年马书君等[14,15]( 1996)对40份SCN 3号小种抗性资源持久抗性鉴定研究,结果得到免疫的11份,抗病的29份。这些抗源材料经过田间病圃重复鉴定,异地交叉鉴定和人工定量接种鉴定,表现抗性持久稳定,可供抗病育种应用。这些抗SCN 大豆种质资源来源存在着明显的区域性差异,抗源种质主要来源于山西、河北和陕西,其次是山东。这些地方土地瘠薄,干旱少雨,小黑豆为当地长期栽培的地方品种,具有对不良条件的适应性。同时,这里又是SCN 4号生理小种疫区,大豆品种在很强的选择压力下,经过长期的自然选择和人工选择,将具有抗SCN4号生理小种的种质保留下来。据各病区对SCN生理小种鉴别结果,我国SCN优势生理小种的分布: 东北地区为SCN3号和1号小种的疫区,黑龙江、吉林省以3号小种为主; 辽宁省以1号小种为主;黄淮海地区以4号小种为主; 山东省的小种较为复杂,有1、2、4、5和7号小种; 安徽省北部有4、5号小种。
5、抗源在抗线育种上的应用
由于大豆对胞囊线虫的抗性受多基因控制, 抗源多为黑皮, 并且抗性与黑皮间的基因连锁, 因此选育抗胞囊线虫适于生产需要的黄皮大豆较为困难,许多育种者为此付出了较多的努力, 培育出许多抗不同生理小种的大豆品种、品系。吴和礼( 1989) 采用性状逐步积累法, 进行抗S C N 高产转育, 利用哈尔滨小黑豆育成的高代品系84-789 、84一793 、84一8 9 抗性达到小黑豆水平; 王志等(1990)利用兴县灰皮支黑豆和应县小黑豆育成了一些黄种皮抗性强农艺性状优良的高代中间材料; 李莹(1994) 利用我国的高抗资源与推广品种杂交, 育成14 个黄种皮品系, 其中1259、1260、1264、1266 等对13号小种免疫或高抗, 这些品系在农艺性状上较抗源小黑豆大大改进, 在病区种植比一般推广品种增产20 % -50%。张磊等( 1 981) 利用科系8 号×徐豆1 号杂交, 育成适合当地种植的大豆品种皖豆6号, 1996年在安徽省审定推广。该品种黄皮、大粒、高抗S C N 2、3、5号生理小种, 高耐1、4 号小种, 在病区增产20 % - 50 %。郝欣先等1995 年推广了齐黄25大豆品种, 黄种皮, 高抗SC N 1、3、5 号小种, 兼抗SMV, 在病区增产潜力10%一50% ; 齐茶豆l 号, 高抗S C N 1、3 号小种, 兼抗SM V, 褐色种皮。齐黑豆2 号, 抗S C N 1、3、5 号小种, 早熟, 高产, 稳产, 抗逆性强, 种皮黑色。吉林省农科院大豆所自19 8 5 年开展抗SCN 育种, 已育成吉林23、32、37 三个抗S C N品种, 已在生产上大面积推广。
黑龙江省抗SCN育种取得了较大进展, 黑龙江省农科院盐碱土利用研究所于1992年育成抗线1号( 丰收12×Franklin), 高抗SCN3号生理小种,黄种皮, 百粒重17 9 左右; 1 9 9 5 年育成抗线2 号仁嫩丰9 号×(嫩丰10×Frankli n) F 2〕,高抗SCN3 号生理小种, 黄种皮, 百粒重189左右;1999 年育成抗线3号( 8201一205×8314一2222), 高抗SCN 3号生理小种, 抗旱, 耐碱盐性较强, 黄种皮, 百粒重18-20g;2003年育成抗线4号(8105 一5 ×九丰1号) ,
抗胞囊线虫, 耐盐碱, 抗干早, 黄种皮, 百粒重20-22g ; 同年育成抗线5号(合丰
25×8804-33),高抗SCN3号生理小种,黄种皮,百粒重189左右。黑龙江省农科院嫩江农科所1994年育成嫩丰15( 美国的CN210× 黑河3 号),高抗SCN, 黄种皮,百粒重18-20g。黑龙江省大庆农科所1994 年育成庆丰1号[晋豆3 号×(庆5 1 1 7 又庆8 3 1 9 )〕,抗SCN3 号生理小种, 抗干旱, 耐大豆重迎茬, 黄种皮, 百粒重18 一2 0 g。
东北农业大学大豆所1999年育成东农43( 绥农8号×CN210) ,高抗SCN3号生理小种,抗SMV1号株系,中抗F L SI一10号混合小种以及1 号、7号优势小种,抗旱,耐疮薄, 黄种皮,百粒重20 9 左右。
5、展望
在抗病育种中, 育种家往往着重对主要病害抗性水平的要求, 而忽略育种目标的综合性状水平; 有时当目标性与某些不良性状存在正相关或基因连锁时, 抗性与农艺性状无法同步改良、提高, 因而培育成的品种难以直接用于生产。所以, 在抗病育种过程中,应始终注意对育种材料农艺性状、生物学性状及品质、外观、商品价值等要求, 这也是目前抗病育种工作的难度所在。但是, 只要不断地扩大和充实抗源, 注意抗源农艺性状的选择和提高, 合理地组配杂交亲本, 并提高对后代的鉴定, 筛选技术, 是可以选育出高产、优质和抗病品种的。在生产上推广抗病品种后, 原定防治目标的病害, 一般能予以控制。但原属次要病害的危害可能上升。仅具单一抗性的品种, 难以收到防病、保产的效果。因此, 今后不仅要选育对当前生产有较大危害的主要病害有一定抗性的品种, 而且还有兼顾那些可能上升的次要病害的抗性。在多抗育种中, 一般以利用水平抗性为好, 以免垂直抗性品种大面积推广后, 反而导致多种病原菌小种的变化而抗性丧失。
随着分子生物学的发展,RFLE、RAPD、SSR技术为揭示遗传的分子基础提供了很好的工具[16,17,18]。Weisemann[19] 等,报道,pBLT24、pBLT“两个RLFP标记不仅与I基因座连锁, 而且与Rhg4基因座连锁。Coneibido等报道, 两个RFLP标记pB32、pA85与大豆抱囊线虫抗病反应紧密相关,分别控制抗病反应总方差的39 % 和23 %。Clemson大学Skomupska等、Mahalinga m等、Choi等以回交品系, 分离群体混合样品和来自同一抗源的抗病品种的混合样品为试验材料利用RAPD 术对Peking、pI437654和pI88788等抗源抗大豆抱囊线虫1,3 ,5,14 号小种的多态性进行了分析, 获得了一些抗大豆抱囊线虫的RAPD标记, 这些研究为以后的基因转移和分子标记辅助的抗病育种提供了坚实的理论。
参考文献:
[1] 王金陵.大豆[M].黑龙江科学技术出版社,1982: 260-266.
[2] 刘维志.植物病原线虫学[M].中国农业出版社, 2000 年:281-294.
[3] 颜清上.中国黑豆抗源对大豆孢囊线虫4 号生理小种抗病机制的研究[D].中国农业科学院硕士学位论文,1995:1-20.
[4] 刘晔,刘维志.大豆孢囊线虫的生理小种鉴定结果(Ⅱ)[J].沈阳农业大学学报,1989,20(1):41-44.
[5] 刘汉起,商绍刚,霍虹等. 黑龙江省大豆抱囊线虫发生危害及研究现状[J].大豆科
学.1987,6(2):141-147.
[6] 张磊. 大豆饱囊线虫研究概述[J].大豆通报,1993,3:37-40.
[7] Zhang, L., R.A.Dean, H.T.Knap, and S.A.Lewis. DiversityAmong a Heterodera glycines ield Isolate and Derived Inbreds Based on RAPD Analysis and Reproduction on Soybean Genotype[J].Journal of Nematology,1998,30:477-484.
[8] Riggs,R.D.,M.L Hamblen,and L.Rakes.Infra-species Variation in Reactions to Hosts in Populations[J].Journal of Nemadology,1981,13:171-179.
[9] ] 吴和礼,姚振纯,李秀兰,刘汉起,商绍刚,毛冬青.大豆孢囊线虫病的抗原筛选研究[J]. 中国农业科学. 1982,(06)
[10] 刘汉起,商绍刚,霍虹,吴和礼,姚振纯,李秀兰. 大豆孢囊线虫(Heterodera glycines)生理小种研究初报[J]. 大豆科学. 1985(02)
[11] 张仁双,牛颖英,包力光,高连军. 大豆孢囊线虫病抗源品种鉴定筛选研究[J]. 大豆科学. 1985(02)
[12] 刘维志,刘晔,陈品三. 东北地区部分市县大豆胞囊线虫生理小种的鉴定结果初报[J]. 沈阳农学院学报. 1984(02)
[13] 李莹,王志,卫保国. 大豆孢囊线虫4号小种新抗源的筛选和利用[J]. 大豆科学. 1987(04)
[14] 马书君,张玉华,薛庆喜,吴和礼,刘汉起,商绍刚,霍虹,王福录,高国金. 大豆种质资源对大豆孢囊线虫3号生理小种抗性鉴定研究[J]. 大豆科学. 1991(03)
[15] 马书君,张玉华,薛庆喜,姚远,刘爱群,黄承运,李云辉,李志学,王福录,高国金,田中艳,尤青山. 中国大豆种质资源对大豆孢囊线虫3号生理小种抗性鉴定研究[J]. 大豆科学. 1996(02)
[16 ]宋启建. 大豆SSR分子标记的创制及其应用〔J〕.大豆科学.1999,18(3) : 248-254.
[17] 张志永, 盖钧镒. RFLP在大豆种质资源及遗传连锁研究中的应用〔J〕.大豆科学,1995, 14(4) :341一346
[18] 张志永, 盖钧镒. RAPD在大豆种质资源及遗传连锁研究中的应用〔J〕.. 大豆科学, 1 9 9 7 , 1 6 (1): 60-65.
[19] Weisemann J M ,Matthews B E, Devine T E. Molecular markers located Proximal to the soybean cyst nematode resistance gene , Rhg4〔J〕.Theor. Appli Genet.1992,(85):136一138.