美国大豆锈病研究的国家战略计划概况◇赵舒顺1颜清上2王岚3刘传斌1陈素省1摘婪11：_，文掌介绍了美国大豆锈病的起源、预测和诊断技术，寄主植物和病原菌的发掘，种质资源强化以及病害管理措施。大豆锈病由2种真菌引起，一种是亚洲锈病(Phakopsorapachyrhizi)，又称旧世界锈病；另一种为美洲锈病(Phakopsora meibomiae)．也叫新世界锈病。亚洲锈病的致病力远远强于美洲锈病，它可以导致80％的产量损失。亚洲锈病起源于东半球，在中国、澳大利亚、印度、菲律宾和泰国都有发生；1998年亚洲锈病由亚洲传播到津巴布韦和尼日利亚，并迅速扩散至整个非洲；2001年首次在南美洲发现亚洲锈病，到2002年在西半球的巴西、阿根廷、巴拉圭等大豆主产国都已发生此病；2004年亚洲锈病已经越过赤道。2004年9月随着飓风“伊万”登陆美国，大豆锈病从南美洲侵入到了北美洲，11月10日美国农业部的动植物检疫局首次确认在美国的路易斯安那发现亚洲锈病。这一消息立即受到美国农业部、国会、参议院重视。12月1—2Et，美国农业部农业研究局召集92名专家和决策人员起草制定了“协调和整合大豆锈病研究的国家战略计划”。该计划共有6个部分，其内容涵盖了病理学、遗传育种学、栽培学、种质资源学、生物技术、基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多学科的交叉。本文根据2005年4月的第三稿，对其做一简单介绍。一，通讯和延展战略目标是提供全国性的大豆锈病(以下均指亚洲大豆锈病)通讯网络。研究目的是建立高效研究网络的协调框架。措施如下：①成立特别工作组以鉴定美国与国际合作研究的制约条件、管理正在进行的美国大豆锈病研究先期行动、支持相关的政策、组织年会和进展报告会。②创建和维护大豆锈病信息网络以传播和共享大豆锈病信息．使研究者补充相应的资源、生产者获得可靠的病害管理决策。该网络将提供有关基因组、转录、蛋白质、种质资源和代谢数据的网络连接，还将提供软件、指南、人员、设施、标准方案和正在进行的研究项目介绍以及杀菌剂试验和病害流行追踪。③建立交互式的数据库以整合大豆和病原的基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学的研究信息。二，预测和诊断技术美国农业部的动植物检疫局将领导多机构组成的小组去制定和实施该部分计划。战略目标是提供一个有效的决策支持系统以实施控制措施；研究目的是建立诊断体系以检测、鉴定和识别病原分离物。措施包括：①发展适于大田应用的诊断工具以鉴定大豆锈病和其他大豆叶部病害。先期措施要制备大豆锈病和所选择的叶部病害病原的抗体．建立这些病原的酶联免疫检测(ELISA)方法。2007年完成手提式诊断学的评价，应用于杀菌剂选用的决策工具，并对所选的大豆叶部病——43——2007．7(总339)世鹰崆业WoridAgricuIture害进行抗体筛选：2009年开发出适于大田的诊断试剂盒，用于大豆锈病和其他叶部病害。②建立、比较和评价大豆锈病孢子的取样方案及可早期检测其功效的检测工具。先期措施包括测验和验证现有的快速检测方法和取样方案．如雨水和空气取样及采集系统：利用地面实际测量评价远程遥感光谱反射数据；扩大延展和培训网络。2007年要建立、验证和部署新的、精细的雨水和空气取样及诊断方法，增加敏感性和便于使用特性；评估遥感病害诊断的准确性。2009年诊断技术将商业化，利用积累悄数据优化大豆锈病管理系统，同时继续扩大和维护延展和培训网络。③改良和验证综合病害预测系统的气候、大气传播、生物学／流行学和社会经济学的影响因子。先期措施是整合监控和调查的数据用于建立气候和大气传播预测模型，测验现有的气候预测模型的因子，在大豆生长季节进行大豆锈病孢子传播的日风险评估并进行初步的验证研究．进行大豆田问的病害进展研究，建立流行学模型，连接大气传播、流行学和社会经济学模型以建立初步的综合病害预测／损失模型。2007年连接并验证气候和病害预测模型。2009年提供以计算机网络为基础的、经过测试的决策支持系统。④评估病害预测模型的准确性和经济影响。三，病窖管理=，炳普管理杀菌剂是近期阶段减少产量损失的主要工具。美国环保局批准应用的大豆杀菌剂有4个：有机氰类的Bravo、Echo和甲氧基丙烯酸酯类的Quadris、Headline。该部分的战略目标是开发多种战术的、经济实用的大豆锈病管理策略：研究目的是验证可在大豆锈病发生条件下获得最大生产回报的工具。措施有：①优化杀菌剂喷洒项目、获得大豆产量的最大经济回报。开发新的杀菌剂，评价与其他杀菌剂、杀虫剂、除草剂混合施用的交互作用，监控病原菌群体对杀菌剂产生的抗性，提出区域性的病害管理策略，提供病害严重程度和产量损失的信息。②定义病害管理的判断标准。量化病害、环境和经济阈值，利用文献资料的数据将模型输出转换为判断标准：2007年完成大豆锈病管理的预测模型和评价方案的数据收集，比较不同预测模型(如病原侦测依据的、生长阶段依据的和日期依据的模型)对大豆一44一锈病管理决策的影响，利用国家预测模型系统的信息提供病害管理指南。③评价杀菌剂施用技术以取得最大效能。完成现用的施用技术的效能评价比较，根据冠层覆盖面积和产量决定组合各种条件(如喷嘴类型、汽化器大小、压力、喷药量等)以获得最有效的施药方法．评价病害轻重程度、冠层覆盖量和产量损失的相互关系。④优化各种栽培措施、限制大豆锈病危害影响。主要考虑行距和群体结构，品种结构和生长习性，种植日期、成熟期和灌溉措施对病害程度和产量损失的影响。⑤开发防御肽，作为一个活力的大豆锈病防护体系。防御肽是一种随机生产的短肽．通过噬菌体展示技术鉴定，它可以干扰病原生物学，从而提高对病原感染的防御。2007年的目标是筛选防御肽阻断孢子产生和吸器形成．并离体和整株测验这些短肽．找到应用该技术抑制大豆锈病真菌的方法．培育可表达防御肽的转基因大豆，并用之与高产优异种质杂交结合。⑥研究生物防治策略，作为减轻大豆锈病造成产量损失的补充途径。四．．寄圭植物和病原的基因发掘战略目标是测定病原毒力的基础和寄主对大豆锈病的抗性：研究目的是研发基因组工具以发掘和利用对病原抗性的基因。对寄主植物基因发掘的措施有：①增加大豆和交替寄主植物的基因组序列信息。目前。在公共数据库中含有超过30万个大豆序列标签(EST)．代表了34万个表达基因，还不足以包括大豆所有的6万个基因．还要对含有丰富多态性和遗传调节信息的非基因区进行序列分析。大豆基因组序列分析将提高大豆的遗传和物理图谱质量。早期措施包括对感病品种Williams82接种大豆锈病后8d和15d得到的2万多个EST进行序列分析，以了解病原基因在感病品种中的基因表达。2007年对涉及寄主一病原互作的基因专门进行EST分析。2009年完成大豆基因组50％以上区域的序列分析．主要集中在富集有希望基因的区域。②利用基因组方法发展新的分子标记。用于QTL鉴定和标记辅助选择项目。开始主要集中在对4种已知的抗锈病基因的分子标记鉴定，另外的工作集中在快速提高大豆的遗传和物理图谱质量。2007年对功能基因组学鉴定的理想候选基因进行分子标记培育，通过在世寥鏖业WorldAgriculture2007．7(总339)标记辅助选择项目中的应用决定这些标记的效用，利用QTL群体、转录组学数据和DNA杂交途径，培育做图标记。2009年用分子标记定义大豆抗锈病的QTL．利用基因芯片鉴定可供标记培育的多态性。③利用转录组学鉴定大豆抗锈病的候选基因。基本措施包括利用削减抑制杂交(Suppressive subtraction hybridization，SSH)鉴定Rppl基因。创建了含有8000个大豆基因的微列阵(基因芯片)，Affymetrix公司已开始出售含3．8万个大豆基因的微列阵，伊利诺伊大学也已有含3．6万个大豆基因的微列降，‘2007年利用感染的组织建立新的cDNA文库并进行序列分析，重点鉴定寄主和病原菌中的感染后表达的基因，创建1．2万个新的EST，对大豆一锈病互作进行专门的微矩阵分析。；x109年将新的基因揉合到大豆微矩阵中，扩大微矩阵的基因数量．并继续鉴定大豆一锈病互作中的反应基因。④鉴定模式植物和交替寄主食用豆植物中的抗锈病机制或基因。大豆锈病有70多个交替寄主．其中一些不乏有潜在的抗源，交替寄主(如菜豆)和模式植物(拟南芥、莲属植物、苜蓿属)将用于筛选评价有希望的抗性性状。⑤鉴定重要的寄主蛋白——病原蛋白相互作用．作为鉴定抗性干扰候选基因的一种途径。⑥敲除目标候选基因以筛选锈病感染力和抗性。RNA干涉技术、病毒诱导基因沉默技术可用于目标基因的失活。2007年应用功能基因组学途径找出大批RNA干涉的基因靶点，发现诱导锈病的启动子，通过增加寄主对农杆菌的易感性提高大豆转化效率。2009年测试通过高通量方法得到的候选基因沉默的靶点。⑦利用诱导产生新的抗病性状。新的诱变技术如转座子标签、T．DNA标签诱变、TILLING(定向诱导基因组局部突变)技术，结合高通量筛选可以有效地鉴定新的抗性性状。一旦确认新的抗性基因，就将这些基因与优良种质结合进行产量试验。⑧应用代谢组学鉴定大豆抗锈病的候选基因，代谢组学研究将补充转录组学和蛋白质组学研究，提供大豆锈病感染中各种代谢途径被激活或抑制的证据，最终将蛋白质组学、转录组学和代谢组学的数据整合在一起。在病原菌基因发掘方面的措施与寄主植物的思路大致相同，包括：①增加大豆锈病病原的基因组序列信息．主要对病原的EST进行序列分析。②用分子标记作为评估病原变异力的手段．主要应用简单序列重复(SSR)标记评价病原的遗传多样性，测定其遗传变化和适应的遗传方式，并定义寄主的抗性系统。③锈病种属的系统分析，确定对大豆锈病新的生防策略。④利用转录组学鉴定病原基因组的候选基因功能。⑤利用蛋白质组学鉴定大豆锈病病原的候选基因功能。⑥建立病原菌高效的转化体系。如建立锈病病菌瞬时表达和稳定转化体系，提高转化效率。五．．种质资源强化控制大豆锈病最好的长期方案是利用寄主植物的抗病性。目前只鉴定出4个抗大豆锈病的基因，还不足以保护大豆抗锈病病原的所有小种．需要新的抗源和新的策略，以保证大量的优异大豆品种抗大豆锈病。该部分的战略目标是培育新的高产种质。田间抗大豆锈病；研究目的是利用大豆和交替寄主的遗传资源增强大豆对大豆锈病的抗性。措施为：①建立国际和国内病圃以筛选种质资源。②对田间和温室筛选标准化。比较接，种技术、完成统一测验的标准化程序，找出温室和田间结果的相互关系。③建立可量化锈病抗性表型的新方法。通过功能基因组学鉴定分子标记．用于快速的锈病感染鉴定，离体系统如子叶感染可作为温室筛选的替换方法；研制可快速、准确鉴定锈病感染的诊断工具，并整合到综合病虫管理体系。④从大豆种质中鉴定新的抗源。现有的种质没有对所有小种表现出持久抗性，对大豆和野生大豆资源的大量筛选，鉴定出一些中抗和有潜在抗性的材料。⑤大豆种质中抗锈病基因的定性和累加。已知的锈病抗性基因是小种专一性的，美国农业部农业研究局已将抗锈病基因Rppl—4与大豆品种Williams回交培育出含单一抗性基因的近等基因系．并将这4个近等基因系杂交，培育聚合4个抗性基因的新品系。同时对新的抗性基因的遗传方式进行研究。并利用分子标记鉴定、累加理想基因的新品系。2009年将有更多品系出现在高级产量试验中，要在温室和田问测验对大豆锈病的抗性。⑥培育标准鉴别品种和其他寄主以对病原变异性定性。目前共有4个种质PI、PI、PI和PIB分别带有不同的抗性基因。这4个PI系将作为最初的鉴别品种，其他寄主的抗性品种也—．45．．

文章来源：《中国病原生物学杂志》 网址: http://www.zgbyswxzz.cn/qikandaodu/2021/0406/544.html