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中国不同生态地区禾谷镰刀菌种群分化及遗传多样性分析

纪莉景  
【摘要】: 禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)可侵染多种植物,特别是世界三大粮食作物小麦、玉米和水稻的许多部位引起多种病害。禾谷镰刀菌能侵染麦类作物引起苗腐、根腐和穗腐,也能引起玉米的茎基腐和穗腐,在麦收后还能侵染水稻的穗部和稻株基部叶鞘。禾谷镰刀菌不仅侵染作物造成产量的损失,并且侵染谷物籽粒后产生的真菌毒素对人畜健康造成严重威胁。随着我国耕作制度的变革和全球气候变暖,禾谷镰刀菌对作物的危害也越来越大;并且近年来国际上已经将禾谷镰刀菌种下划分为9个进化群,并重新命名,而我国在这方面研究还很少。因此,全面分析来自我国不同生态地区麦类赤霉病和玉米穗腐病的病原组成,禾谷镰刀菌种群分化、系统发育、遗传多样性和产毒类型,建立我国禾谷镰刀菌存在的进化群类型与致病力以及形态学特征的关系,可为禾谷镰刀菌侵染籽粒的毒素检测和小麦、玉米连作条件下病害综合治理奠定基础,具有重要的理论和实际意义。 本研究对河北、黑龙江和湖北等地的麦类赤霉病标样以及河北和甘肃等地的玉米穗腐病标样进行病原分离,得到镰刀菌1229株,经单孢分离纯化后,通过形态学鉴定和主要菌株的分子生物学鉴定,发现我国麦类赤霉病病穗上有禾谷镰刀菌、木贼镰刀菌(F.equiseti)、串珠镰刀菌(F.verticillioides(formerly known as F.moniliforme)、胶孢镰刀菌(F.subglutinans)、层出镰刀菌(F.proliferatum)、厚垣镰刀菌(F.chlamydosporum)、黄色镰刀菌(F.culmorum)、半裸镰刀菌(F.semitectum)和锐顶镰刀菌(F.acuminatum)共9种镰刀菌;玉米穗腐病病粒上有禾谷镰刀菌、木贼镰刀菌、串珠镰刀菌、胶孢镰刀菌和层出镰刀菌共5种镰刀菌,其中禾谷镰刀菌为麦类赤霉病和玉米穗腐病的优势菌,禾谷镰刀菌、串珠镰刀菌、胶孢镰刀菌和层出镰刀菌在麦类赤霉病和玉米穗腐病的标样中均分离得到并且在所分离镰刀菌中占的比例较高,而麦类赤霉病和玉米穗腐病中其他镰刀菌的组成及分离频率在采样地区和年份间存在差异。 对337个禾谷镰刀菌菌株用禾谷镰刀菌特异性引物Fg16F/Fg16R和根据控制产毒类型基因Tri13和Tri3的相关序列设计的引物进行SCAR(sequence-characterised amplified region polymorphism)类型和产毒化学型分析,明确了我国存在7C1、6A5种群和一类未知种群。通过用EF-1α(elongation factor-1α)基因序列进行的系统发育分析和用RAPD(random amplified polymorphic DNA)进行的遗传多态性分析,确定这3个种群分别为禾谷镰刀菌lineage 7(Fusarium graminearum)、禾谷镰刀菌lineage 6(Fusarium asiaticum)和禾谷镰刀菌lineage 3(Fusarium boothii)。这3类进化群在我国存在不同的地域和寄主来源,禾谷镰刀菌lineage 7分布广泛,在全国范围内均有存在,禾谷镰刀菌lineage 6主要分布于我国的湖北和黑龙江地区,禾谷镰刀菌lineage 3(Fusarium boothii)只在玉米上发现,其中禾谷镰刀菌lineage 3在中国的存在和分布是世界上首次发现;同时RAPD分析发现每一类群内各地理来源菌株间存在丰富的遗传多样性;通过禾谷镰刀菌的产毒类型分析,明确了禾谷镰刀菌3种产毒类型—3-ADON(3-acetyldeoxynivalenol)、15-ADON(15-acetyldeoxy-nivalenol)和NIV(nivalenol)化学型在我国均有存在,并且它们的分布与地域有关,产NIV的菌株主要分布于湖北和黑龙江等赤霉病常发区,产3-ADON的菌株主要分布在湖北等温暖地区,而产15-ADON的菌株主要分布在甘肃、河北和黑龙江等冷凉地区,这也是国内首次利用分子生物学方法快速检测禾谷镰刀菌产毒的3种化学型。 通过对75个不同来源禾谷镰刀菌菌株的菌丝生长速率、产孢量、子囊壳产生量以及对化学药剂多菌灵的敏感性等生物学特性进行测定,发现各来源菌株间在以上生物学指标上都存在差别,进行不同来源地理种群菌株的群体比较,发现分离自玉米上的菌株菌丝生长速率比小麦上菌株快,产孢量也多,来自河北和黑龙江小麦上的菌株比湖北大麦上的菌株菌丝生长速率快、产孢量多;在子囊壳产生量上,来自河北玉米和河北小麦上的菌株子囊壳产生量最大,其次是来自黑龙江的春小麦和湖北大麦上的菌株,来自甘肃玉米上的菌株子囊壳产生量最少;用10μg·mL~(-1)浓度的多菌灵对337个禾谷镰刀菌菌株进行对多菌灵抗药性检测,未发现对多菌灵的抗药性菌株,用2μg·mL~(-1)浓度的多菌灵对75个禾谷镰刀菌菌株进行敏感性测定,同一来源菌株间对多菌灵的敏感性存在差别,不同来源种群群体间对多菌灵的差别不是很大,其中以湖北大麦和黑龙江春小麦上的菌株对多菌灵的敏感性最低。 通过对小麦胚芽鞘、茎秆和穗部接种,测试不同来源菌株间致病力的差异,3种致病力测定方法得到的结果基本一致。从玉米上分离得到的菌株对小麦致病力弱,来自河北和黑龙江小麦上的菌株比湖北大麦上的菌株致病力强。通过与禾谷镰刀菌的进化群及菌株的生物学特性比较,致病力的强弱主要与禾谷镰刀菌的进化群类型有关,此外,还可能与菌丝生长速率与产孢量有一定相关性。


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