水稻[水稻是草本稻属的一种，也是稻属中作为粮食的最主要最悠久的一种。]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[稻穗指稻花结实聚成的长条。]部病害[植物体发育不良、枯萎或死亡，一般由细菌、真菌、病毒、藻类或不适宜的气候与土壤等因素造成，属于自然灾害。], 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[病原，指病因。]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[毒素（英语：Toxin），是指生物体所生产出来的毒物（poison），这些物质通常是一些会干扰生物体中其他大分子作用的蛋白质，例如蓖麻毒蛋白。]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[病因作用于机体使疾病发生以后，疾病便作为一个运动发展的过程不断向前演变、推移，经过一定的时间或阶段后，最终趋于结束，这便是发病学（Pathogenesis）所要研究的问题。]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[镰刀：是农村收割庄稼和割草的农具，由刀片和木把构成，有的刀片上带有小锯齿，一般用来收割稻谷，在江南的一些农村还有广泛的使用。]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)
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
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
表3 镰刀菌毒素的种类Table 3 Variety of toxin produced by Fusarium sp.
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