全 文 ：2002 年 9月
September 2002
中国油料作物学报
Chinese journal of oil crop sciences
第 24 卷第 3期
Vol.24 No.3
芸薹属植物抗菌核病的研究进展
钟军 , 李 , 官春云
(湖南农业大学油料作物研究所 ,湖南 长沙 410128)
摘要:从芸薹属植物菌核病的发病原因 、侵染过程及侵染方式 , 菌核病的致病机理和芸薹属植物的抗病机制等
方面 ,以油菜为例综述菌核病的抗性遗传及抗菌核病的研究进展。
关键词:油菜;菌核病;育种;进展
中图分类号:S435.654 文献标识码:A 文章编号:1007—9084(2002)03—0078—04
芸薹属植物菌核病是世界范围的主要病害 ,也
是我国芸薹属植物 3大病害之首 。自栽培农业以来
人类防治油菜菌核病的途径有 3种:(1)通过有性杂
交 ,利用作物本身及亲缘种中的抗病基因培育抗病
品种。然而 ,由于芸薹属植物中可利用的抗病种质
资源少 ,选育时间长 ,病原小种及环境条件变化易使
抗病品种出现抗性退化等因素 ,使培育抗病品种受
到了限制。(2)栽培管理如轮作等措施只能适当减
轻病害损失 ,不能避免菌核病的发生。(3)化学防治
曾经取得较好的效果 ,但由于污染环境 、药品残留危
害人类健康 、引致病原物抗药性增强而使杀菌失效
等原因而渐渐被淘汰 。最近 10年来 ,分子生物学与
基因工程在抗病育种的研究中得到了广泛应用 ,在
病原物致病机理 、植物与微生物互作 、植物基因工程
的抗病育种等方面开展了深入的研究 ,取得了很大
进展 。目前 ,已从多种植物中分离出抗病基因 ,为植
物抗性改良提供了极珍贵的基因资源。
1 菌核病致病原因 、病原菌侵染方式
和过程
芸薹属植物菌核病致病的主要原因是菌核病菌
在细胞膜内产生草酸毒素 ,引起细胞内的酸度增加
及水分关系失调 ,导致细胞膜脂质过氧化水平升高 ,
细胞结构损伤 ,细胞膜透性增大 ,病原菌易进入寄主
植物细胞内[ 1] 。
菌核病以 2种侵染方式侵入寄主 ,即萌发的子
囊孢子和由子囊孢子与菌核病病原菌所形成的菌
丝。子囊孢子只有在营养条件允许的情况下才能形
成附着胞进入寄主细胞 ,菌丝是菌核病侵染寄主的
主要方式。吴纯仁研究表明 ,菌丝体除从寄主表皮
直接侵入外还可沿保卫细胞内侧间接侵入表皮细
胞 ,病原菌侵入前能形成单一菌丝顶端膨大的单附
着胞和多细胞组成的复合侵染垫两种结构[ 2] 。
侵染过程:菌丝在芸薹属植物叶片表面的顶端
生长并连续分枝 ,形成指状侵染垫原基 ,进一步发育
成圆顶侵染垫;侵染垫的顶端菌丝呈不规则二叉分
枝并紧密堆积 ,接触寄主表皮后即侵入寄主 。侵入
菌丝先在表皮细胞内横向扩展 ,随之形成放射状菌
丝;放射状菌丝既可在细胞间扩展 ,又可直接穿透细
胞扩展 。病原菌在侵入前形成具有专化结构的侵染
垫 ,可能与病原菌侵入所需要的压力有关 。
2 病原菌的致病机理和寄主的抗病机
理
2.1 致病机理
虽然菌核病致病机理比较复杂 ,但病原菌致病
基因编码着一系列侵染寄主植物所必须的产物 ,包
括降解寄主细胞壁和角质的酶类 ,破坏寄主细胞结
构的真菌吸器以及分泌破坏寄主细胞膜和正常代谢
的毒素等。果胶酶被认为与病原菌的致病力密切相
关 ,能迅速降解寄主细胞壁的组成成分 ,导致寄主发
病;病原菌侵染寄主时 ,为摄取所需要的营养物质 ,
产生内源多聚半乳糖醛酸酶(PG)来分解寄主细胞
壁的主要成分高聚半乳糖醛酸 ,形成降解产物低聚
半乳糖醛酸 。Singh[ 3] 以抗 、感油菜品种为材料 ,接种
病原菌后测定PG ,结果表明抗病材料 PG 活性低于
感病材料 ,健康组织中没有 PG。此外 ,菌核病病原
菌分泌的一些磷酸脂酶 、蛋白水解酶 、多聚糖等也与
菌核病致病有关。
杨谦[ 4] 研究表明 , 病原菌菌丝首先在叶片上形
收稿日期:2002—03—08
作者简介:钟军(1973—),女 ,湖南沅江人 ,在读博士生 ,主要从事作物分子遗传与育种研究。
成复合附着器 ,每个菌丝分枝可生出1个侵染钉 ,侵
染钉依靠附着器的压力和酶对寄主表面的软化 、降
解作用而侵入叶面蜡质 、角质层和表皮细胞壁 。吴
纯仁[ 5]对感病寄主组织中草酸的积累和分布进行了
研究 ,证明了草酸在油菜菌核病中的致病作用 ,发现
不同感病程度的品种组织内草酸含量的变化不同 ,
在同一时间内高感品种的草酸积累量显著高于低感
品种。Godoy[ 6] 认为草酸降低了寄主细胞的 pH 值 ,
从而提高病原菌细胞壁降解酶的活性 ,加速寄主细
胞解体;草酸还抑制与抗性有关的酶的活性;草酸有
较强的螯合能力 ,可改变寄主植物细胞膜的透性。
2.2 抗病机理
2.2.1 预存防卫系统 包括有 5种机制:
(1)细胞壁加固。芸薹属植物受到菌核病侵染
时 ,细胞壁产生快速木质化和羟脯氨酸蛋白积累 ,增
加寄主细胞壁的强度 , 提高对病原菌的抵抗力[ 7] 。
此外 ,更重要的是可能阻止病原菌与寄主某些识别
作用有关的信号分子的渗透和交换 ,从而阻止或延
迟病原菌侵染垫和附着胞形成 ,使寄主表现抗病。
(2)合成酚类氧化物。芸薹属植物被病原菌侵
入后产生自身保护反应 ,寄主体内积累酚类化合物 ,
使某些酶活性增强 ,特别是能提高或诱导一些病程
相关蛋白 。酚类化合物氧化产生的酚类氧化物对病
原菌有一定的毒性 ,而酚类氧化物与多酚氧化酶
(PPO)和过氧化酶(PO)有关。PPO 和 PO 含量的增
加会提高酚类化合物的含量 ,参与寄主抵抗病原菌
的保卫反应[ 8] 。同时 ,过氧化酶在酚类聚合成木质
素中起着重要作用 ,木质素含量的增加为阻止病原
菌侵染寄主提供了有效的保护圈。
(3)合成植保素。芸薹属植物受到病原菌侵入
后常产生一些具有抑菌活性的小分子化合物 —植保
素 ,其积累浓度与寄主对特定病原菌的抗性呈正相
关。植保素在寄主受病原菌侵染的细胞周围起化学
屏障作用[ 9] ,抗病植株积累植保素的速度较快 ,感病
初期可达高峰 ,而感病品种积累速度较慢。因此 ,通
过导入植保素合成所需的有关酶基因 ,可提高寄主
体内植保素合成和积累水平 ,即提高抗病性。
(4)木质素含量增加。病原菌侵染寄主后会引
起寄主细胞壁改变 ,主要表现为木质化过程加强 ,即
木质素含量增加加大了病原菌穿透细胞膜的压力 ,
增强了细胞壁抗酶溶作用 ,产生低分子酚类前体及
多聚产物以钝化和破坏病原菌膜 ,限制病原菌酶和
毒素向寄主体内的扩散 ,也限制寄主细胞内水分及
营养物质向病原菌扩散 ,导致病原菌得不到营养而
死亡[ 10] 。木质素作为细胞阻止病原菌入侵的第一
道屏障 ,在植物防卫反应中起着重要作用 。
(5)几丁质酶和 β-1 ,3-葡聚糖苷酶 。这 2种
酶能水解菌核病菌丝细胞壁的主要成分几丁质和葡
聚糖 ,有 3种以上的类型:第Ⅰ类为碱性酶 ,分布在
液泡中 ,在体外有较强的抑菌活性 ,可直接破坏菌核
病菌丝顶端新合成的几丁质而抑制病原菌的生长;
水解几丁质 ,致使病原菌死亡;产生的细胞壁碎片具
有诱导物作用 ,刺激芸薹属植物的抗病反应。第 Ⅱ、
Ⅲ类为酸性酶 ,分布在细胞间隙内 ,体外几乎无抑菌
活性 ,可能与诱导早期防卫反应有关[ 11] 。
2.2.2 诱导防卫系统 由病原物侵染形成的诱导
防卫系统包括过敏反应和系统抗性。过敏反应是指
寄主受到非亲和病原菌侵染后 ,在侵染部位出现局
部保护反应 ,表现侵染部位产生枯斑 ,细胞出现程序
死亡 ,从而导致病原菌不易获得营养 ,同时诱导周围
细胞积累抑制病原菌侵入的物质 ,限制病原菌增殖。
寄主中存在一种与物理或化学障碍 、植保素合成和
过敏性反应不同的抗病机制 ,即系统获得性抗性 ,某
种可移动转导的信号因子可引起一些编码抗微生物
活性蛋白基因的表达 ,如蛋白酶抑制等病原相关蛋
白基因 。目前的研究集中在水杨酸(SA)上 ,因为它
是介导寄主由局部过敏反应到产生系统获得抗性的
信号分子。Chen等纯化得到的 SA 结合蛋白是过氧
化氢酶 ,而过氧化氢酶和各种形式的活性酶在病原
—寄主识别反应的早期就会积累 ,所以过氧化氢酶
在寄主抗病反应中也起着重要的作用[ 12] 。Neuen-
schwande 等[ 13] 认为寄主受病原菌侵染后 ,体内 SA水
平提高 ,SA 与 SA 受体结合 ,抑制过氧化氢酶的活
性 ,导致体内过氧化氢水平提高及自由基产生 ,从而
激活抗病反应途径中相关抗病基因的表达 。
3 油菜抗菌核病的筛选 、利用及其抗
性遗传
刘澄清等[ 14] 通过抗病性鉴定和筛选研究 ,筛选
出有显著遗传效应的强抗菌核病材料 ,通过有性杂
交育成了抗菌核病的优质品种。陈玉卿等[ 15] 对 300
份种质材料进行抗性筛选和鉴定 ,未发现免疫类型 ,
但获得了37份高抗种质;并发现芸薹属的复合种抗
性强于基本种 ,认为抗菌核病基因主要存在于 B和
C染色体组 。周乐聪等[ 16] 采取田间和室内鉴定相结
合的方法对 2371份材料进行抗性鉴定 ,也未发现免
疫类型 ,但筛选出的高抗种质占 6%,芥菜型油菜抗
菌核病的能力最强 。有关油菜抗菌核病的筛选研究
79钟军等:芸薹属植物抗菌核病的研究进展
表明 ,尽管没有发现对油菜菌核病病原菌免疫的品
种 ,但油菜品种的抗性变异是广泛存在的。抗病品
种的杂交研究表明 ,菌核病抗性可以遗传 ,受隐性多
基因控制 ,有加性效应[ 14 , 17] 。黄永菊等[ 18] 研究认为
油菜菌核病主要受核基因控制 ,但存在一定的母性
效应 ,核基因作用方式表现为显性和加性基因作用;
油菜抗性表现为部分显性 ,不同抗 、感品种抗性显性
作用程度存在差异。
4 抗病育种途径
4.1 传统育种途径
利用筛选出的高抗病品种进行杂交以及根据抗
性与其形态性状的关系进行选择是培育抗病品种的
有效途径;轮回选择在油菜抗病育种中有成功的例
子;远源杂交也是发掘利用现有品种资源的重要途
径。赵建伟等[ 8]以中抗品种中油 821和感病品种 S
-89 为对照研究了甘蓝型油菜远源杂交新品种
9629和 YD16 ,接种菌核病前后测定叶片中 PPO 和
PO活性变化 ,结果表明 ,接种菌核病后 ,远缘杂交品
系的 PPO和 PO活性均高于中抗品种和感病品种 。
4.2 无花瓣性状育种
菌核病病原菌以子囊孢子方式极易侵染即将凋
萎的花瓣而不能直接侵染健壮的茎秆 ,所以花瓣充
当了传病的媒介 。陈玉卿等[ 19] 测定油菜花器各部
位的带菌率 ,结果脱落花的部位带菌率高达 90%以
上。胡宝成等[ 20] 在不育系繁殖中发现 ,由于不育系
的花器官雄蕊不发育或雌蕊外突 ,致使花瓣脱落和
不能展开 ,结果不育系的发病率比保持系低得多 。
鉴于脱落花瓣对菌核病传播的作用 ,一些学者对无
花瓣性状的遗传和生理进行了研究 ,提出了无花瓣
性状育种。Buzza 首次在甘蓝型油菜中获得了无花
瓣的突变品种。刘后利[ 21] 也在白菜型油菜中发现
了无花瓣的突变体 。蔡明等[ 22] 以甘蓝型油菜与埃
塞俄比亚芥种间杂交得到了一批无花瓣性状的油
菜 ,其菌核病发病率大大降低。傅寿仲[ 23] 从遗传 、
生理 、抗性及农艺性状等方面对无花瓣种质进行了
系统研究 ,发现无花瓣遗传性稳定 ,受 2-4对隐生
基因控制 ,在形态避病 、生态抑病等方面具有极高的
育种潜能 ,是进一步选育抗菌核病油菜品种的重要
种质资源 。
4.3 细胞工程育种
细胞工程作为克服远缘杂交不育性和创造新的
变异类型已广泛地应用于抗病育种。许多研究表
明 ,草酸可作为选择剂用于油菜愈伤组织抗菌核病
突变体的筛选 。吴力游等[ 24] 以草酸作选择剂处理
油菜愈伤组织 ,获得了耐草酸毒素的突变体 ,分化培
养后得到再生植株 。用毒素处理离体叶片或菌丝体
接种离体叶片后 ,经组培所获得的再生植株与原品
种比较 ,均不同程度提高了对菌核病的抗性 。黄剑
华[ 25] 采用小孢子 花药培养 ,平阳毒素诱变和草酸胁
迫相结合的方法 ,诱导和筛选出油菜抗病突变体。
赵云等[ 26] 用 EMS 、NaH3诱变处理甘蓝型油菜愈伤组
织 ,以草酸为选择剂进行抗性筛选 ,经 2%EMS处理
油菜愈伤组织并扩增 3 代后 ,从 872块油菜愈伤组
织中筛选到 7块抗草酸愈伤组织 ,且愈伤组织中多
酚氧化酶和过氧化酶活性都有显著提高。
4.4 转基因工程育种
近年来 ,随着基因工程技术的发展以及油菜转
化体系的建立 ,许多学者通过基因工程的手段研究
油菜的抗病性 。郭学兰等[ 27] 将玉米转座子导入甘
蓝型油菜的具柄子叶 ,获得转基因植株 。通过对 T0
代及其自交后代 T1 分析 ,发现转座因子在转基因油
菜中具转座活性 ,田间调查表明转座因子阳性比例
的提高与菌核病病情指数的下降呈线性相关。Gri-
son等[ 28] 将几丁质酶基因通过农杆菌转入冬油菜品
种中 ,其抗病性显著提高。Broglie[ 29] 从菜豆中分离
出几丁质酶基因 ,并将其与 CaMV35S启动子相连构
建植物表达载体转化油菜 ,结果转基因植株对菌核
病具有一定的抗性 ,几丁质酶表达量越高其抗性也
越强。蓝海燕利用农杆菌介导转化方法将抗菌核病
的 β -1 , 3-葡聚糖苷酶基因导入油菜中 ,获得了保
持优良性状的抗菌核病的转基因植株[ 30] ;进一步将
组成型表达 β -1 , 3-葡聚糖苷酶基因和几丁质酶
基因的双价植物表达载体转化甘蓝型油菜 ,得到了
再生植株 ,活体接种油菜菌核病结果表明 ,部分转基
因植株比对照植株的抗病性显著增强 。
参考文献:
[ 1] Maxwell D P , Lumsden R D.Oxalic acid production by Scle-
rotinia sclerotiorum in infected bean and in culture[ J] .Phyto-
path , 1970 , 60:1395—1398.
[ 2] 吴纯仁 , 刘后利.油菜菌核病致病机理的研究Ⅳ.病原
菌侵入途径和附着胞结构观察[ J] .华中农业大学学
报 , 1990 , 9(1):56—58.
[ 3] Singh R P , John P R.Phenolics and cell wall degrading enz-
ymes in Sclerotinia sclerotiorum infection of resistence and
susceptible plants of Brassica juncea[ J] .India Journal of My-
col and Plant Pathoogy , 1979 , 9(2):160—165.
[ 4] 杨谦.核盘菌侵入油菜超微结构及侵染机制的研究
80 中国油料作物学报 2002 ,24(3)
[ J] .植物病理学报 , 1994 , 24(3):245—249.
[ 5] 吴纯仁 ,刘胜毅 ,周必文.油菜菌核病致病机理的研究
Ⅲ.感病组织内草酸毒素积累和分布的初步分析[ J] .
植物病理学报 , 1991 , 21(2):135—139.
[ 6] Godoy G , Steadman J R, Dickman , et al.Using of mutants
to demonstate the role of oxalic acid in pathogenicity of Scle-
rotinia sclerotiorum on phaseolus vulgaris[ J] .Physiological
and Molecular Plant Pathology , 1990 , 37:179—191.
[ 7] 薛应龙.植物抗病的物质代谢基础[ A] .余叔文.植物生
理与分子生物学[ C] .北京:科学出版社 , 1992.417—
430.
[ 8] 赵建伟 ,陈爱武 ,孟金陵.甘蓝型油菜远缘杂交新品系
某些酶的活性与抗菌核病的关系[ J] .中国油料作物学
报 , 1998 , 20(1):38—41.
[ 9] Dixon R A , Dickson M H , Grison R , et al.Molecular com-
munication in interactions between plants and microbial patho-
gens[ J] .Ann Rrv Plant Physiol Plant Mol Biol , 1990 , 41:
339—367.
[ 10] Brokaert W F , Boland G J , Smith E A , et al.Plant de-
fensins:Novel antimicrobial peptides as components of the
host defense system[ J] .Plant Physiol , 1995 , 108:1353—
1358.
[ 11] Lawton K , Hughes W G.Acidic and dacic class Ⅲ chiti-
nase mRNA accumulation in response to TMV infection of
tobacco[ J] .Plant Mol Biol , 1992 , 19:735.
[ 12] Chen Z , Adams P B , Morall R A , et al.Active oxygen
species in the induction of plant systemic acquired resistance
by salicylic acid[ J] .Science , 1993 , 262:1882—1886.
[ 13] Neuenschwande U , Steel R G , Torrie J H , et al.Is hydro-
gen peroxide a second messenger of salicylic acid in systemic
acquired resistence[ J] .Plant , 1995 , 8:227—233.
[ 14] 刘澄清 ,杜德志 , 邹崇顺.甘蓝型油菜的抗病性及其遗
传效应研究[ J] .中国农业科学 , 1991 , 24(31):43—49.
[ 15] 陈玉卿 ,张洁夫 , 伍贻美.芸薹属油菜种质资源抗(耐)
菌核病 、病毒病的鉴定[ J] .中国油料 , 1993 , 2:4—7.
[ 16] 周乐聪.油菜品种资源对菌核病的抗性鉴定[ J] .中国
油料 , 1994(增刊):69—72.
[ 17] Baswana K S , Sedun K S.Inheritance of stem rot in cauli-
flower[ J] .Euphytica , 1991 , 57:93—96.
[ 18] 黄永菊 , 陈军 ,李云昌.甘蓝型油菜菌核病抗性的遗传
研究[ J] .中国油料作物学报 , 2000 , 22(4):1—5.
[ 19] 陈玉卿 , 张洁夫 ,吕衷进.甘蓝型无花瓣油菜对菌核病
抗(耐)性研究[ J] .江苏农业科学 , 1992 , 6:10—13.
[ 20] 胡宝成 , 陈凤祥 ,李强生.甘蓝型油菜细胞雄性不育系
对菌核病抗(避)、耐性研究[ J] .华中农业大学学报 ,
1996 , 15(2):127—131.
[ 21] 刘后利.油菜的遗传与育种[ M] .上海:上海科技出版
社 , 1995.
[ 22] 蔡明.甘蓝型油菜与埃塞俄比亚芥种间杂种的无花瓣
性状表现[ J] .中国油料 , 1991 , 1:86—87.
[ 23] 傅寿仲.甘蓝型油菜无花瓣性状的遗传及其育种潜能
[ A] .中国国际油菜学术讨论会文集[ C] , 1990.29—
35.
[ 24] 吴力游 , 高必达.油菜抗菌核病突变体筛选及抗性鉴
定[ J] .农业现代化研究 , 1995 , 18(5):314—316.
[ 25] 黄剑华.利用小孢子 花药培养法筛选油菜抗菌核病
品种[ J] .植物生理学通讯 , 2001 , 37(3):226—227.
[ 26] 赵云 , 王茂林 ,郑洪武.油菜细胞诱变及抗草酸突变体
的筛选[ J] .中国油料 , 1996 , 18(4):10—14.
[ 27] 郭学兰 , 王汉中 ,李均 , 等.玉米转座子 Ac转基因甘蓝
型油菜的遗传变异[ J] .中国油料作物学报 , 2001 , 23
(1):7—11.
[ 28] Grison G B , Lumsden R D, Christtine R, et al.Field toler-
ance to fungal plant-pathogen of Brassica napus constitu-
tively expressing chimeric cjitinase gene[ J] .Nature Bio-
technology , 1996 , 14(5):643—646.
[ 29] Broglie K.Transgenic plants with enhanced resistance to the
fungal pathogen Rhizoctonia solani[ J] .Science , 1991 , 254:
1194—1197.
[ 30] 蓝海燕 , 张正华.农杆菌介导法将 β-1 , 3-葡聚糖苷
酶基因导入油菜的研究初报[ J] .中国油料作物学报 ,
2000 , 22(1):6—10.
81钟军等:芸薹属植物抗菌核病的研究进展