我国水稻普通矮缩病的研究进展.pdf
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1、专 论与 研究 中 固粕 米 2 0 0 9 年第 1 期 我国水稻普通矮缩病的研究进展 蔡晶 李西明 季芝娟 马良勇 杨长登(中国水稻研究所 水稻生物学国家重点实验室,浙江 杭州 3 1 0 0 0 6;通讯作者,E ma i l:r i c e ma l y y a h o o c o rn e n;y a n g c h a n g d e n g y a h o 0 c o n c n)摘要:水稻普通矮缩病是由矮缩病毒经多种叶蝉传播的病毒病害。主要分布于我国长江以南稻区。近年来,病 害发生程度逐年加重,发病面积不断扩大,并有进一步扩散的趋势。本文就矮缩病的病毒研究、抗性研究、发生规律
2、和防治方法等进行了阐述,并针对我国普通矮缩病的研究现状及研究方向提出了建议。关键词:水稻矮缩病;R D V;发生规律;防治 水稻矮缩病(R i c e D w a r f D i s e a s e)又称为水稻普通 矮缩病、普矮、青矮、缩草、马桩头等,是常见的水稻病 毒病之一,除危害水稻外,还危害大麦、小麦等禾本科 植物。1 8 8 3年首次在 13 本发现,当时称为“鸟巢病”,而 后传人朝鲜及我国。水稻矮缩病通常给水稻生产带来 一定程度的损失,重病 田造成水稻减产 3 0 5 0,甚 至颗粒无收l 1 l。2 0世纪 6 0年代在我国长江以南部分省 市 曾经发 生 为害,1 9 6 9年 至
3、 1 9 7 3年浙 江 一带 严重 发 生。近年来,我国南方稻区的浙江、江苏、上海、安徽、福 建、江西、湖南、湖北、云南等省市普遍发生,且有逐年 加重的趋势,引起了科学家的重视。1 水稻普通矮缩病的发病症状及病毒研究 1 1 普通 矮缩病 发病症 状 在 自然情况下,普通矮缩病由叶蝉以持久方式传 播,并在昆虫体内繁殖。水稻从苗期至分蘖期易感病,最典型的症状是植株矮缩,根系不 良,分蘖增多,叶色 浓 绿,叶 片僵硬直 立,多数 病 叶出现 白色 点状线条,形 似缝纫机扎线,少数叶片呈现扭曲和皱缩。苗期至分蘖 期发病,分蘖少,移栽后多枯死,一般不抽穗。在孕穗期 感病,形成穗颈缩短、包穗或抽小穗,
4、即使抽出也结实 率低和千粒重降低或不能正常结实f2-5 1。刘利华等6 j通过 观察水稻矮缩病细胞病理变化发现水稻矮缩病病毒的 侵染主要是引起寄主细胞的代谢紊乱,如光合产物不 能及时转移,呼吸强度增强,以及生长调节物质代谢变 化等,从而造成以上多种症状。我国由不同病毒和细菌引起的水稻矮缩病主要有 普通矮缩病、黑条矮缩病、锯齿叶矮缩病、黄化矮缩病 和草丛矮缩病等五种,造成为害的主要是同由病毒引 起的普通矮缩病和黑条矮缩病,但五种病害的为害症 状略有不同。水稻普通矮缩病的发病症状类似水稻黑 1 0 条矮缩病,主要特征是叶片上或叶鞘上出现与叶脉平 行的虚线状黄白色点条斑,以基部最明显。但水稻黑条 矮
5、缩病无此特征,这是与前者的主要区别。普通矮缩病“虚线状黄白色点条斑”新叶和老叶一般不出现。另外,普通矮缩病与其它水稻矮缩病在病害、传播昆虫和发 病症状上也有所不同,具体见表 1。1 2 普通矮缩病病毒的研究 1 2 1 矮缩病 病毒基 因组编码蛋 白功能的相关研 究 水稻矮缩病毒(R i c e D w a r f V i r u s,R D V)属于呼肠 孤病毒科(R e o v i r u d a e)的植物呼肠孤病毒属(P h y t o r e o v i r u s),其病毒基因组 由 1 2条双链 R N A(d s R N A)片段 组成,以超卷曲的形式包装在毒粒内,与蛋白质组成
6、复 合体。根据在聚丙烯酰胺凝胶上的迁移率命名为 s 1 到 S 1 2,其中 s 1 到 S 1 1 每条片段含有 1 个开放阅读框架(O R F),S 1 2 含有 4 个 O R F。分析 s 1 到 S 1 2 各片段序列 发现,它们在序列结构上存在共同特点,即 5 和 3 末 端都分别存在由 6 个和 4 个核苷酸组成的保守序列以 及 6 1 4个核苷酸组成 的组分特异 的反 向重复序列。这 些末端保守序列可能在病毒的复制、转录、翻译和组装 过程 中起重要的作用同。随着分子生物学等技术的逐渐成熟,对 R D V基因 组编码的蛋白及功能的研究取得了很大进展,前人先 后报导了一些 d s
7、R N A片段 所编码的蛋 白,其 中 S J、S 2、s 3、s 5、s 7、5 8和 Js 9分别编码结构蛋 白 P l、P 2、P 3、P 5、P 7、P 8和 P 9,s 4、S 6、S I O、$1 1和 S 1 2分 别 编码非结 构 蛋白 P n s 4、P n s 6、P n s l 0、P n s l 1 和 P n s l 28 1。另外,S 4编 码的非结构蛋白含有锌指结构(Z i n c fi n g e r m o t i f),可能 参与病毒的复制。S 1 1 编码的非结构蛋白与组蛋白 H 1 和蓝舌病毒的 V P 6 蛋白有同源性,可能具有核酸结合 收稿 日期:2
8、 0 0 8 1 1-2 5 蔡 晶等:我国水稻普通矮缩病的研究进展 中 国粕 米 2 0 0 9年第 1 期 功能 3 1。对于结构蛋白,陈茂等 讣 认为 P 1 蛋白存在于 R D V 侵染的水稻叶片和带毒叶蝉中,并推测它可能具有一 定的解旋功能。Y a n 等 t 5】研究发现,当 R D V经四氯化碳 处理后,外层 P 2 蛋 白丢失,R D V便丧失 了对传媒昆虫 单层细胞的侵染性。O m u r a等 也研究发现,完整的 R D V毒粒可以被黑尾叶蝉单层培养细胞吸附并可进 入细胞内进行复制,这进一步证明 P 2 蛋 白为叶蝉介导 传播 R D V所必须。H a g i w a r
9、a 等 研究发现,核心蛋白 P 3 在杆状病毒系统表达后,在没有其它任何衣壳蛋白 的情况下,可以在昆虫细胞内形成单层壳核心样毒粒,而 P 3 与主要外壳蛋 白共表达后,则可以形成双层壳的 病毒样粒子。Z h e n g 等 也发现,在 s 3和 s 8共表达的 转基因水稻内,有双层壳病毒样粒子存在,而在只表达 s 8的水稻体内没能检测到类似的病毒样粒子。因此,推测 P 3是核心蛋白,在病毒的结构形成、复制和穿刺 过程中都有重要的作用。P 5次要核心蛋白,研究发现 其在 R D V侵染的水稻和叶蝉中以低水平存在,能与 G T P共价结合,推测它具有鸟苷酸转移酶活性,对病毒 mR N A合成时 5
10、 端帽子结构的形成起重要作用。对于 P 7 微核心蛋 白,研究发现 f y 7 具有非特异的核酸结合 活性,可与 P 1、P 3 和 P 8 相互作用,在病毒 R N A的分 拣、毒粒的组装中可能起着重要作用r1 9 1。此外,离体条 件下,P 7即可与 P 3、P 8 共表达时形成的双层壳病毒样 粒子稳定结合 16 。Z h o n g 等_2 进一步证实,P 7与 R D V基 因组 1 2条 d s R N A问均有结合能力,且可与 P 5和 P 1 间相互作用,对病毒的组装起重要作用。对于 P 8,R D V 的外壳蛋 白有报道提出 P 8决定 了侵染植株的严重程 度2 1。对于 6
11、个非结构蛋白,其功能还依然未知。K i m u r a 等 2 2 1 曾指出 P n s 4可能与 R D V引起水矮化病症的功能 有关。L j 等2 3 1 通过试验推测 P n s 6 非结构蛋白有细胞间 运动的功能,P n s 1 1 是结合核酸的蛋白。自1 9 8 8 年以来先后克隆了 S 1 一$1 2所有基因,完 成了其全序列测定和各个基因片段所编码的蛋白功能 分析,并对部分片段进行 了对水稻的遗传转化,得到稳 定的表达。其中杨文定等2 4 1用基因枪法将含有 R D V的 反义核酶序列基因的植物表达载体 p R O K I I 转化水 稻幼胚,经 S o u t h e r n
12、杂交法检测为阳性的水稻幼苗进 行抗病性测定显示,转 R D V反义核酶基因的水稻植株 对 R D V的复制和症状有显著抑制作用。马中良等2 锵 s 6基因克隆到表达载体 P g e x 一 6 P l,并转化大肠杆菌,该基因在大肠杆菌以包涵体形式大量表达。李胜等闭 将水稻矮缩病毒外壳蛋白基 因 s 8克隆到杆状苗毒转 移载体 p V L 1 3 9 3中,结果表明,s 8基因在昆虫细胞中 成功表达,且在感染后 9 6 h表达量最高。尹哲等 用 We s t e r n印迹法分析表明了s 9基因编码的 R D V P 9蛋 白在酵母和植物中均可以表达,同时证明了在植物体 内R D V P 9蛋白
13、同样能够激活基因的转录,暗示该蛋 白可能在病毒的侵染和复制过程中参与调控病毒或寄 主基因的转录表达。1 2 2 矮缩病病毒粒子的三维结构研究 L u 等【2 8 对 R D V病毒颗粒在 2 5 n m分辨率下的三 维结构研究表明,R D V毒粒为直径为 7 0 n m的正二十 面体,无刺突,有双层外壳蛋白,内含单拷贝基因组。近 年来,前人对 R D V毒粒 的相关研究较多,卢光莹等2 9 1 第一个报道 了有关植物呼肠孤病毒 的三维结构,即 R D V的外壳直径为 7 0 n m,厚度为 6 9 n m,由2 6 0个三 聚体的外壳组成,每个外壳共有 7 8 0个蛋白亚基。R D V 内壳层
14、直径约为 5 4 n m,厚度 2 5 n m,分辨率为 3 3 n m 下 R D V的三维结构上可见其内壳层表面有一些通道。邵承华等3 o l进一步研究发现,1 2 0个 P 3蛋白质亚基组 成 6 O 个二聚体。N a i t o w等 3 lJ 发现,基因组 d s R N A在内 层外壳内形成 R D V的第三壳,内层外壳和 R N A壳层 之间有 1 2个由P 7蛋白组成的五聚体。Z h u等 得到了 P 8的二维晶体,电镜观察发现,外壳的结构单元 外壳粒类似于等边三角形结构,边长约为 6 n m,中间 1 1 蔡 晶等:我国水稻普通矮缩病的研究进展 中 国粕 米 2 0 0 9
15、年第1 期 有一个直径约为 2 n m的洞。钟伯雄等唧研究出R D V病 毒粒子装配的一种可能的模型,即核心蛋 白和病毒 m R N A首先相互结合形成一个整体,以筛选和富集病 毒 R N A,接着包装成为完整的、具有感染活性的病毒 粒 子。2 不同稻作(地)区普通矮缩病 的发生规律 2 0世纪 6 0年代普通矮缩病在我国长江以南部分 省市开始发病并形成为害,由此,引起了对矮缩病的高 度重视。然而,南方不同地区矮缩病发病规律存在差 异。郑庆桃等2 1在研究浙南山区水稻矮缩病时表明,干 旱、少雨年份发病重。矮缩病发病最适温度为 2 8。C,相 对湿度在 7 5 9 0。冬季带毒若虫抗寒力甚强,最
16、低 温 度降至零下 8。C,死亡率 6 6,但夏季(5 6月)遇上 晴热、干旱、少雨天气,有利传毒若虫盛发,缩短体内循 环回期和传毒潜育期,加速病害流行。项永斋等 3 4 1在研 究浙南山区水稻矮缩病时也表明,矮缩病的初次侵染 源主要是获毒越冬的黑尾叶蝉三、四龄若虫。秋季获毒 的黑尾叶蝉若虫在绿肥田、春花 田和沟边的看麦娘上 越 冬后,翌春 羽化 为成虫,在 E t 平均 气温 上 升到 1 5。C 以上时,在 越冬场所 开始迁 飞,至 1 7。C以上 时形 成迁 飞高峰。陈传聪 研 究福建省水稻矮缩病时总结其发 生规律是:黑尾叶蝉越冬后翌年 4月初黑尾叶蝉若虫 羽化,迁入早制种、再生稻秧田地
17、及其本 田传毒,5月 上中旬第一代若虫盛发在早制种、再生稻本 田制种、单 季稻秧田传毒为害,这是一年中黑尾叶蝉第一次重要 迁移扩散期,也是毒源传到水稻上的关键时期。一代若 虫其中经卵传的个体可能成为第二次侵染源。早、中稻 上繁殖的第 2、3 代虫在 6月下旬至 7 月上中旬前后迁 移到连晚秧田及早插大田传毒为害。早季制种收割时,成若虫向后季稻秧 田、本 田及单晚、再生稻大田迁移扩 散。8月盛发的第 4 代若虫,在连晚田中传毒为害。游 秀梅等口 I 在福建省研究时同样发现,在影响黑尾叶蝉 越冬和生长繁殖的因素中,以气候条件和耕作制度最 为重要。邵灵珍等I 4 1 在贵州省研究显示,水稻从苗期到
18、孕穗期均可发病,以分蘖期发病最 多。据观察和 比较,有以下几种类型的田块最易发病,程度也相对较重:一 是秧 田期管理粗放,杂草丛生,黑尾叶蝉发现较早,而 虫 口密度相对较大的田块;二是移栽后受洪水淹没过 的田块;三是移栽过晚的田块;四是偏施重施氮肥的田 块。总之,现已明确其发生规律即:普通矮缩病仅通过 昆虫传播,昆虫媒介以黑尾叶蝉为主,电光叶蝉和大斑 1 2 黑尾蝉也有较弱的传播能力。黑尾叶蝉在病稻上吸食 一定时间后带毒,其群体中只有部分有利于病原在虫 体内增殖的个体可以传病,并可经卵将病毒传递给下 一代。水稻感病后经过一段时间潜伏,便会显出病症。黑尾叶蝉若虫越冬后,翌春羽化为成虫,带毒成虫迁
19、入 早稻秧 田和本田,病害也随之传人早稻。7月中旬至 8 月上旬黑尾叶蝉迁入双晚秧 田和本田,为全年虫量最 高峰期,也是全年主要迁飞传病期。故早稻发病轻,双 晚发病重。稻田普矮病发病率的高低与迁入秧田及本 田初期田间带毒黑尾叶蝉量呈显著正相关;冬春温暖、伏秋干旱,有利发病;稻苗嫩绿,靠近虫源田发病重;不 同品种抗性有差异,同一品种以秧 田和本田初期最易 感染。3 普通矮缩病抗性的相关研究 从 2 0世纪 6 0年代普通矮缩病在我国南方发生危 害以来,已有 4 0余年,有关其病毒及症状、发生规律、防治和处理方法都有较深入的研究。然而,由于水稻普 通矮缩病是 由传毒媒介叶蝉传播的病毒病,水稻对矮
20、缩病 的抗性 同时与水 稻对黑尾叶蝉 的抗性 和对 矮缩病 毒的抗性有关,鉴定方法极为复杂,因此,有关水稻矮 缩病的抗源筛选、抗性遗传与利用等方面的研究较为 鲜见。由于矮缩病毒是由传毒媒介叶蝉传播的病毒病,因而水稻对该病的抗性主要表现在抗虫性和抗病性两 个方 面。在矮缩病传毒媒介黑尾叶蝉的抗虫性研究方面,迄今为止,已发现 P a n k h a fi 2 0 3、A S D 7、I R 8、P t b 8、A S D 8、T A P L 7 6和 Mo d d a i、K a r u p p a n分 别携 带 单显 性 抗 性基 因 G l h l G l h 7。此外,I k e d a
21、等 报道了品种 N o r i n P L 幼 苗期和成株期的抗性分别由 2和 3 个互补基因控制,且控制成株期抗性 的 3 个互 补基 因中的一个基 因表现 不完全显现和不稳定性。I m e b 等3 7 1报道了 N o r i n P L 携 带的两个不完全显性基因可同时控制对黑尾叶蝉和矮 缩病毒的抗性。S e b a s t i a n等 3 8 1 将 A R C 1 1 5 5 4携带的基因 G l h定位于第 4号染色体上,且该基因与连锁的 R F L P 标记 R Z 2 6 2的距 离为 2 1 e M。Y a z a w a 3 9 1报 道水稻 品种 D V 8 5抗黑尾
22、叶蝉 G r h 2和 G r h 4分别位于第 1 1 号和第 3 号染 色体。在矮缩病抗病筛选鉴定方面,现有的主要是田间 自然鉴定,陈茂顺等5 1 从田间试验和大 田普查结果表 明,杂交稻不同组合对水稻普通矮缩病的抗性存在极 显著差异,特优 4 2 0、冈优 2 2等组合抗性差,而 D优 6 3、特优 7 7、协优 9 3 0 8和 D优 6 8 等组合抗性较强,而 蔡 晶等:我匡 l 水稻普通矮缩病的研究进展,、何 国民等 则认为安两优 3 1 8 等较抗黑条矮缩病,而 协优 9 3 0 8等品种高感。这可能是鉴定结果的差异,也 很有可能说明普通矮缩病与黑条矮缩病存在不同的抗 病机制。鉴
23、 于水 稻矮 缩病 的抗性 鉴 定 尚无 成 熟 的鉴 定 方 法,同为刺吸式昆虫灰飞虱传播的水稻条纹叶枯病的 鉴定方法可为普通矮缩病的抗性鉴定提供一定的参 考。条纹叶枯病抗性鉴定主要有重病区田间自然鉴定、人工接种鉴定二 种方法,田间 自然鉴定 受带毒灰 飞虱 数量的限制;而人工接种鉴定主要是通过酶联免疫吸 附法(E L I S A)、A蛋 白酶 联 吸附 法(S P A E L I S A)、膜 上 斑点免疫吸附法(D I B A)、R T P C R和 N o r t h e r n杂交等 方法检测具有高带毒量的灰飞虱,在叶龄为 1 5叶时 接种,发病后按株发病率或病情指数作为划分抗和感
24、的标准。然而,自然鉴定 和人工 接种 鉴定在筛选抗源 时除受带毒虫量控制外,还受昆虫喜食性的影响。而根 据品种对病害的抗性特性的不同,又可分为抗虫又抗 病、抗虫不抗病、抗病不抗虫等几种,而对病毒的抗性 又可分为不抗虫而高抗病毒侵染但不耐病(发病率低 但症状严重),中抗病毒侵染但耐病(发病率高但症状 轻)等多种。尽管条纹叶枯病的鉴定结果表明,对昆虫的抗性 与病害的抗性并非完全一致,但在现有同一地区有多 个推广品种的条件下,昆虫的喜食性对矮缩病病害的 发生有明显得影响。因此,在暂未获得抗矮缩病的种质 资源的情况下,利用黑尾叶蝉的抗性基因选育抗虫品 种,可能是选育抗矮缩病品种的替代步骤之一;此外,张
25、仲凯等 在研究抗矮缩病毒转基因水稻的农艺性状 中得出,转 R D V s 6的株系表现出抗病抗逆性明显增 强的特点,说明利用转基因技术获得抗矮缩病品种可 能是另一条途径。4 矮缩病的防治 4 1 农业 防治 4 1 1 选用抗病品种 同一区域的田块尽量做到品种统一,生育期一致,防止水稻生育期参差不齐而延长黑尾叶蝉的危害期,减少带毒虫源的传毒时间,这是防治病毒病最经济有 效措施。应选叶片小、直立的抗病品种,如晚稻早插品 种应选用抗性强的特优 1 7 5、博优 9 6 8 等 4 5 1。王银燕等 认为两优培九表现较强抗耐性,且丰产性好,可在病 区扩 大种植。4 1 2 合理布局,及早拔 出病株
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