第十二章-抗病育种

第十二章抗病育种第一节抗病育种的重要性第二节病原物致病性与植物的抗病性第三节抗病育种的方法和程序第一节抗病育种的重要性一、抗病育种的意义二．抗病育种的研究进展第二节病原物致病性与植物的抗病性一、病原物的致病性及其遗传变异(一)生理小种的概念病原菌的生理小种是植物病理学的基本概念之一。病原菌的种或变种(或专化型)在形态和寄生专化性上有明显区别，但随种、变种、专化型、生理小种的分类，其中形态学区别越来越小，而寄生专化性区别更为重要。在病原物的种、变种或专化型下，形态上相同，但对寄主植物不同品种致病力不同，由同一基因型所构成的生物型群，称为生理小种(physiologicalrace)。生理小种不是遗传单位，只是特定基因的表现型。生理小种从形态上很难区别，一般是用一套抗病能力不同的鉴别寄主(或叫甄别品种)来区别。一个生理小种的消长，取决于感染这一小种的品种，即所谓“哺育品种”在生产上的消长情况。(二)致病性及其遗传变异病原物的致病性是一种遗传属性，也可经常发生变异，变异的途径有：有性杂交、无性重组(如异核现象、准性生殖)、突变和适应。变异会产生新的致病类型，适应是病原物与寄主协同发展的结果。病原物致病性变异是品种抗病性丧失的主要原因。1．植物病原真菌的变异真菌的个体基因型，在许多遗传性状，如形态学、生理学和致病性等表现出差异。大多数性状是由核基因控制的，也有一些特性由细胞质基因控制。植物病原真菌新小种的形成有以下几个途径：1)在有性生殖过程中，，核基因的重组；2)异核作用和准性生殖使体细胞遗传物质重组和交换；3)突变。2．植物病原细菌的变异细菌遗传的主要物质是核质中染色体上和质粒上的DNA．有4种不同形式引起细菌在致病力方面的变异：1)接合细菌的繁殖通常是无性的，但有时当两个有亲和力的C—细菌相互接触时，一小部分的DNA就会通过性纤毛从一个细菌转移到另一个细菌体中，从而形成变异，产生新的株系。2)转化；3)转导，通过细菌病毒(噬菌体)，将遗传物质从已产生噬菌体的细菌中转移到另一个被侵染的细菌体内；4)突变。3．植物病毒的变异植物病毒变异的方式主要有以下两种：1)杂交，当两种病毒株系接种在同一个寄主植物上时，就会产生一个或更多的病毒株系，这些新病毒可能是杂种(RNA或DNA重组体)。2)突变。二、植物的抗病性及其遗传变异(一)抗病性的概念植物的抗病性是指寄主对病原物及其有毒产物的抵抗性，不感受性或少感受性。从广义上讲，某一作物不感染或不发生某一病害，或虽然发生但程度相对较轻，或产量损失较小，都可以叫做抗病。从狭义上讲，只有当作物遭到病害侵袭后，能够产生抗扩展、抗侵入、或抗再侵染作用的才能叫做抗病。植物的抗病性可以划分为以下等级：1.免疫(immunity)寄主对病原物侵染的反应表现为完全不发病，或观察不到可见的症状。也就是说，即使在适合的条件下，寄主与寄生物之间也未发生任何病害作用的结果。2.抗病(resistance)寄主受病原物侵染后发病轻微的，称为抗病。可以用高抗、中抗或低抗等词来描述，因为抗病性是绝对抗病至绝对感病之间任何一个过渡量值。3．感病(susceptibility)寄主受侵染后能发病的都称为感病，发病严重的称为高度感病。4．耐病(tolerance)植物的耐病性是指植物忍受病害的性能。在外观上，类似感病品种，也发病，但是病害对产量的影响比感病品种小。衡量耐病的标准是测定产量或品质。5．避病(escape)感病品种由于种种原因没有受到侵染而未能发病，称为避病。最常见的避病是时间上的避病，例如，小麦早熟，就可以减轻后期叶锈、条锈、白粉、赤霉等病的危害。有些大麦和小麦品种开花期内外稃关闭，可以避免散黑穗病菌的侵染。避病并不是一种真正的抗病性，只是逃避了病原菌侵袭，而未造成经济损失。(二)植物抗病的机制1．抗病机理类别从植物的组织学和细胞学人手，抗病机理可分为如下几类：(1)抗侵入类型，能够降低初始菌源的繁殖系数，降低病害流行的速度，从而减少病害所造成的损失。(2)抗扩展类型，是病原菌侵入植物后，植物限制它进一步扩展。通常表现为病斑小、病斑数目少、病斑扩展速度慢、潜育期长、产孢子量少、反应型低(发生坏死或退绿反应的结果)等形式。(3)过敏性坏死型，是迄今利用和研究最多的一种抗病类型。是在受到病原菌侵害后，由于寄主细胞过度敏感或积累植物保卫素使寄主细胞迅速坏死，因而使入侵的病原菌被封锁或死于坏死的细胞中。作为专性寄生菌是不能从已死的细胞中摄取养分的，因而不能继续发育而死亡。有的病原菌并没有死亡，而是被局限在过敏坏死的组织中，处于静止状态。现已知，病毒可以从过敏反应的组织中复活，锈菌引起过敏反应后，有时并不死亡，而是处于静止状态，遇到适宜的条件，可以恢复并形成孢子。2．植物抗病的理化因素(1)角质层表皮最外表的蜡质是一个疏水表面，对阻止真菌侵入叶片和真菌萌发起到一个物理和化学阻挡的作用。蜡质成分和角质酸一样抑制了某些病原体的萌发。角质层的厚度与抗真菌侵人能力有关，角质层厚，抗病性强。(2)碳水化合物的并置，在真菌的菌丝或吸器感染细胞壁时，具有抗性的寄主通过合成新的碳水化合物胼胝质沉积，其主要成分是p—D—1．3葡聚糖和纤维素等。它们被附加在质膜外侧、细胞壁内侧，形成乳突，使次生壁变厚，从而抗病。(3)木栓质凝胶体和侵填体，在被真菌感染的许多植物中发现在细胞壁微原纤维间形成积累木栓质，木栓化的细胞壁能增强对真菌酶的抵抗。在抗病和感病品种中，填充在被感染维管腔内的维管凝胶，一般是在感染后48h内形成的，而感病品种凝胶会被真菌的酶溶解。(4)结构蛋白，这种蛋白质在凝胶和侵填体的形成过程以及并置到细胞壁上的物质的结合过程中也可能是相当重要的。与结构蛋白一起形成的木质素复合物和与碳水化合物一起形成的木质素复合物相比，对酸解有很好的抵抗作用。(5)木质素(lignin)和酚酸化合物，木质素是一种主要由羟基肉桂酸醇游离基团的凝聚作用所形成的酚类聚合物。木质素和肉桂酸引起了可以抵御疾病的细胞壁变态。如抗病品种局部损伤和其周围以及在线虫旁边形成的坏死细胞刺激了细胞壁的木质化作用，而感病品种则没有这种功能。3．植物抗病的次生代谢物(1)单宁和黑素物质，与小种专化抗性有关的坏死现象是通过在整个细胸壁和干缩的原生质体中形成褐色到黑色的黑素(melanin)而表现出来的。黑素形成的密度最大的一般是高抗植物，体现了黑素或其前体对抗性的作用。单宁和邻醌对大多数微生物和病毒有一定的毒性，与抗病有关。(2)溶菌酶，各种植物都能产生β—(1．3)—葡聚糖酶和壳多糖酶。它们一起溶解未黑素化真菌细胞的壁，寄主组织中真菌结构常被溶解或消失，这表明壳多糖酶在抗性中可能是重要的。(3)酶和病毒的蛋白质抑制剂，在荚果种子和马铃薯块茎中出现了许多胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的蛋白质抑制剂。抗病品种在遇到病菌侵染时，蛋白酶抑制剂活性迅速升高，而且保持一个较高的水平，从而产生抗性(4)固有的抗菌素系统，植物可以产生自然代谢产物，有些产物对农业害虫是有毒的。固有抗菌素合成并贮存于液泡、腺、导管和周皮之中，防御真菌侵染。(5)植物保卫素，在抗病植株中，植物保卫素积累的形式类似于前述的坏死抗性的积累，植物保卫素的积累，提高了植物的抗性。(三)水平抗病性和垂直抗病性垂直抗病性(verticalresistance；VR)；又叫“小种特异性抗病性”或“专化性抗病性”。其特点是寄主对于某些生理小种能够高度抵抗，但对于另一些生理小种则高度感染，即对于病原菌不同生理小种具有“特异”反应或“专化”反应。如果把具有这种抗病性的品种对某一病原菌不同生理小种的反应绘成柱形图，可以看到各柱的顶端有高有低、参差不齐，所以叫垂直抗病性。水平抗病性(hofigontMresistance，HR)对不同生理小种没有什么“专化”和“特异”反应，它对各种小种的反应大体上接近一个水平。如果把具有水平抗病性的品种对某一病原菌不同生理小种的抗病反应绘成柱形图，各柱的顶端大体接近一条水平线，所以叫做水平抗病性或“非特异性抗病性”或“非专化性抗病性”(图12—2)。(四)抗病性的遗传和变异结论：1)无论何种作物，抗病性通常是以孟德尔分离定律进行分离的，抗性由主效基因决定的报道多于由微效基因决定的。2)显性等位基因决定抗性的报道多于其决定易感性状的报道。3)研究报道两对等位基因互作决定一个抗性的报道相对较少，证明抗性基因很少属连锁遗传。4)根据特殊的生物型可以区分另外的抗性等位基因。1．垂直抗病的遗传主效基因抗病性大多是垂直抗病性；(1)显隐性对真菌的垂直抗病性大多数表现为单基因显性，也有少数呈不完全显性或隐性。对病毒的抗病性则多为隐性遗传。大多数主效抗病基因控制植物全生育期的抗性，但有些则是控制一定生育期的抗性。有些主效抗病基因其显性效应因温度条件而变化。如豌豆对菜豆黄花叶病毒的抗性在18~2T呈显性，而在27c时呈隐性。(2)复等位基因某些高级寄生菌的抗病基因常具有复等位性，每个等位基因或抗不同小种，或具有不同的表型效应，如玉米抗锈基因位于第十染色体上的5个不同位点RPl-RP5，而在RP5位点上发现过14个等位基因。具复等位性的基因常有杂合效应，即杂合个体如果具有两个不同的抗病等位基因就能抗更多的小种，纯合个体则只能按其所含一个抗病基因抗较少的小种。（3）连锁在对高级寄生生物的抗病性中，由于抗性基因较多，连锁现象比较常见，如亚麻抗锈病基因N和P位于同一染色体上，其遗传距离大约为26个交换单位。2．水平抗病性的遗传水平抗病性属数量性状遗传。在兼性寄生物所致的病害中，抗性遗传多以微效基因遗传为主。3．细胞质遗传第三节抗病育种的方法和程序一、抗病性种质(一)地方品种和栽培品种大多数直接可用的抗性是在栽培品种中发现的，在一些病害起源中心或某种牧草的起源中心，搜索地方品种和当地栽培品种，是获得抗源的有效途径。(二)野生种和外来种质有时在当地现有品种中无法找到抗源，可以在当地野生种和外来品种中鉴定抗性基因。大量事实说明野生种往往携带有效的抗病基因，野生种的搜集与鉴定工作十分重要。(三)复合种质指多细胞质基因复合而产生抗病。(四)诱变的突变体通过自然和人工诱发产生的突变材料。二、抗病性鉴定(一)室内鉴定苜蓿霜霉病鉴定为例，室内的鉴定方法如下：1．菌种的准备取具有游动孢子囊的幼苗或叶片，迅速放人盛有无菌水的瓶内，振荡，使孢子囊悬浮到水溶液中，然后用茶滤网将叶片等滤去，悬浮液用于接种。为保证发病的均一性，菌悬液中至少有25000个活的孢子囊体／ml。接种和诱导游动孢子囊萌发需要黑暗和100％的相对湿度(RH)。2．幼苗准备将种子播入细砂床的盘内，播深1．3cm，株距2．5cm，喷水保湿，保证齐苗，子叶展开后可以接种。3．接种将孢子囊体悬浮液喷到幼苗上，然后覆盖保湿(100％RH)，在黑暗下(25t)培养至少12h(过夜)，然后打开覆盖物，在5000-10000Lux光照、20C．下培养6d，诱导菌丝体生长，并且拔去接种之后出苗的所有幼苗。4．诱导产生孢子囊接种后第6d，再覆盖植株，保湿(100％RH)，20C，黑暗下培养12—16h(过夜)诱导产生孢子囊，在覆盖前不能浇水。5．鉴定第二天开始鉴定发病情况。一般统计未发生孢子囊单株的百分比，抗病对照植物至少在15％以上。室内鉴定一般每个品种重复4次，每个重复50个单株。(二)田间鉴定田间鉴定，一般是成株鉴定，由于生长发育的环境与生产条件一致，所以是晶种抗病性最本质的鉴定。但是，田间环境条件变化较大，不易控制，而且有自然菌源污染之间题，接种和发病的均匀度难以保证。常有鉴定的“假象”。因此，对一个品种抗病性的鉴定量好是田间鉴定与室内鉴定相结合，以提高鉴定结果的可靠性。(三)鉴定标准目前应用的抗病性鉴定评价的标准(指标)有3种：1．发病率，即发病单株占总调查单株的百分率；2．病情指数，即表示发病的程度，以病斑在叶片上的面积进行分级；3．反应型，是鉴定过