来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2022/4/13 13:37:24
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FASE | 前沿研究:中国小麦条锈病及其可持续综合防治策略

论文标题:Wheat stripe rust and intergration of sustainable control strategies in China (中国小麦条锈病及其可持续综合防治策略)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:QingdongZENG, Jie ZHAO, Jianhui WU, Gangming ZHAN, Dejun HAN, Zhensheng KANG

发表时间:19 Jul 2021

DOI:10.15302/J-FASE-2021405

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有害生物绿色防控

Sustainable and Environment-Friendly Agricultural Pest Management

专 辑 文 章 介 绍

• 第三篇 •

▎论文ID

Wheat stripe rust and intergration of sustainable control strategies in China

中国小麦条锈病及其可持续综合防治策略

发表年份:2022年

第一作者: 曾庆东

通讯作者 : 康振生

kangzs@nwsuaf.edu.cn

作者单位:西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室

Cite this article :

QingdongZENG, Jie ZHAO, Jianhui WU, Gangming ZHAN, Dejun HAN, Zhensheng KANG. WHEATSTRIPE RUST AND INTEGRATION OF SUSTAINABLE CONTROL STRATEGIES IN CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(1): 3751

https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021405

• 文 章 亮 点 •

1. 条锈病给我国小麦生产造成了巨大损失。

2. 条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f.sp. tritici)具有致病性高度变异的特点。

3. 不同流行区应采取不同的综合防治策略。

• 摘 要 •

小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f.sp. tritici)引起的真菌病害,世界上几乎所有小麦产区都有发生。条锈病在全国范围内的流行给我国小麦的生产造成了巨大损失。培育和利用抗病品种是防治该病害的最佳措施,但病菌毒性变异频繁,导致小麦抗病品种抗性“丧失”。小麦条锈菌致病性的高度变异、感病品种的大面积应用以及病菌的远距离传播,都可引起小麦条锈病大流行。目前,条锈病的防治措施基于病原菌流行病学、病原菌在不同季节和年际间传播路径、条锈菌有性生殖的作用、在抗病育种中利用的抗源和小麦全国性监测等多年的研究数据来制定。这些策略取决于条锈病流行预测的准确性、杀菌剂的精准施用以及抗病基因的合理布局。此外,负调控基因编辑、抗性基因过表达和基于微生物组的生物防治等新思路在条锈病的可持续防控中具有潜在的应用价值。

• 研 究 内 容 •

▎研究背景

小麦(Triticum aestivum)在生产中面临多种威胁,其中由条形柄锈菌小麦专化型(P. striiformis f. sp. tritici)引起的条锈病是我国小麦上最重要的病害之一。目前,对小麦条锈病的综合防控主要依靠利用抗病品种和合理使用杀菌剂,但这些措施会引起强致病小种的产生。研究表明,小檗(Berberis sp.)是小麦条锈菌的转主寄主,条形柄锈菌能够在自然条件下完成有性繁殖阶段,这一特点为通过有性阻滞来降低病菌变异速率提供了新的思路。对全国范围条锈菌的基因型和表型分析揭示了夏孢子的传播规律和及病害流行体系,为病害分区治理提供了依据。但小麦条锈病的防治还面临着病原菌对杀菌剂的耐药性、对高温的适应以及国家的农药零增长政策等新的挑战。本文首先综述了国内外在条锈菌的生物学特点、条锈病流行规律、小麦品种抗性和病菌致病性变异等方面的研究进展,接着介绍了不同流行区条锈病的综合防治策略,最后讨论了现有措施的问题和可用的新技术,对今后我国小麦条锈病可持续防治策略提供了建议。

▎小麦条锈病对我国小麦生产的影响

小麦是我国第二大粮食作物。在过去的五年中,平均种植面积约为2400万公顷,平均产量约为1.33亿吨。小麦条锈病可在小麦所有生育期发生,高感小麦品种早期感染后会造成绝收。在过去的30年里,我国每年都会发生条锈病,年均约250万公顷的小麦受到影响。自2003年以来,得益于对条锈病的暴发进行了精准的预测预报,及时应用杀菌剂,避免我国小麦产量损失。

▎小麦条锈菌分子生物学特征

(1)小麦条锈菌是严格的专性寄生真菌,只生长在活的寄主上,其主要寄主为小麦,转主寄主为小檗。

(2)小麦条锈菌的侵染过程为低温萌发、侵入、生长和产孢。

(3) 温度是影响小麦条锈菌越夏和越冬的重要因素。

(4)小麦条锈菌具有转主寄生,在主要寄主上产生夏孢子和冬孢子,在转主寄主上产生性孢子和锈孢子。

(5)小麦条锈菌的冬孢子是有性生殖的重要孢子。

(6)小麦条锈菌是异宗配合。

(7)许多因素如温度、湿度、光照和空气污染都影响着小麦条锈菌夏孢子的存活。

图1 小麦条锈菌的生活史简图

注:N(单倍体),N+N(双核), 2n (二倍体);孢子的比例与真实大小大致相同

▎小麦条锈病流行体系

我国小麦条锈病流行区包括越夏区、越冬区和春季流行区。在部分越夏区,条锈病既能越夏也能越冬,是我国东部地区秋播小麦的菌源基地;在越冬地区不能过夏,但在冬季部分地区锈菌可以继续繁殖,是当地和东部麦区的春季传播源;病菌在春季流行区不能越夏,也很少越冬。春季病害的流行取决于发病时间和菌源量。

▎品种的抗性“丧失”及小麦条锈菌毒性变异

利用抗病品种具有经济、有效和环保等优点,是防治小麦条锈病最有效的措施。但是,许多由单基因控制的高抗病材料在生产上广泛利用后迅速“丧失”抗病性。1950年到2020年间,我国的小麦品种发生了8次大规模的抗源更替事件。70年来,由于过度使用单一抗性基因,加速了条锈菌的定向适应性进化,引起小麦品种对条锈菌的抗性“丧失”。因此,应该进行抗病基因合理利用,并且在不同流行区部署不同的抗病基因,以减少由于大规模使用单一小麦品种或过度使用单个抗性基因而导致发生大流行的可能。

小种高选择压力、突变、体细胞重组和有性重组是造成小麦条锈病毒性变异的重要原因,其中有性重组是产生新小种变异的主要途径。研究表明,条形柄锈菌的有性遗传重组可以通过自交,小种间、专化型间和种间杂交进行。在自然条件下,条锈菌的有性繁殖产生锈孢子作为(初级)接种体侵染小麦,引发小麦条锈病的发生。感病小檗的广泛分布和自然条件下有性繁殖的频繁发生,导致了我国条锈菌种群的遗传多样性高。

图2 自然条件下小麦和小檗相邻生长的现象

▎我国小麦条锈病防治策略

在国家植物保护政策的指导下,根据我国小麦条锈病的发生、传播和流行现状,提出了全国条锈病的区域治理策略。该策略为重点治理病菌变异频繁的越夏区,持续控制冬繁区,全面预防春季流行区。目前已开发出多种关键防控技术,如抗病基因布局、抗病品种利用、种子处理、轮作、晚播、间作、铲除自生小麦苗(绿桥)、杀菌剂应急防控、实时监测等。根据不同的流行区,将这些技术进行集成、组装和匹配,以生物多样性利用为基础,建立了小麦条锈病大区防控技术体系,在条锈病发生时进行针对性防控,保护环境和人类的安全。

▎未来条锈病防治面临的挑战及对策

挑战:(1)条锈病测报不精确,降低农药用量的国家需求。(2)条锈菌毒性高度变异。(3)条锈菌变异机制尚不明确。(4)高感小麦品种的种植面积过大。

对策:(1)利用先进的技术和设备准确预测条锈病的流行,减少农药的使用。(2)关注小麦条锈菌对杀菌剂的耐药性,积极开发新的杀菌剂、修改现有的复配杀菌剂的配方、在时间和空间上交替使用不同种类的杀菌剂。(3)铲除麦田邻近的小檗(转主寄主)以减缓新小种的形成速率。(4)减少高感品种的播种面积,合理利用抗病性,实现抗病基因合理布局。

摘要

Stripe (yellow) rust caused by Puccinia striiformis f. sp. tritici occurs in almost all wheat-producing regions of the world. Severe countrywide epidemics in China have caused substantial yield losses. Growing resistant cultivars is the best strategy to control this disease but the pathogen can overcome resistance in wheat cultivars. The high variation in the virulence of the pathogen combined with the large areas of susceptible wheat cultivars enables the pathogen population to increase rapidly and disperse over long distances under favorable environmental conditions, resulting in severe pandemics within cropping seasons. Current stripe rust control measures are based on many years of research including the underlying epidemiology regarding year-to-year survival of the pathogen, pathways of pathogen dispersal within seasons and years, the role of P. striiformis sexual hybridization, the use of resistance sources in breeding programs, and year-round surveillance of national wheat crops that are present in different parts of the country throughout the year. All these strategies depend on accurate prediction of epidemics, more precise use of fungicides to meet national requirements and better deployment of resistance genes. New ideas with potential application in sustainable protection of stripe rust include negative regulatory gene editing, resistance gene overexpression and biological control based on microbiomes.

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