对水稻病症反应的评估、籽粒性状关联性研究以及基于cgSSR的分子多样性分析显示，不同水稻品种和育种系之间存在显著差异

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Assessment of Bakanae Disease Response, Grain Trait Associations, and cgSSR Based Molecular Diversity Reveal Significant Variation among Rice Varieties and Breeding Lines

　　Debashis Moharana|Debasis Dash|Anilkumar C|Awadhesh Kumar|Debobrata Dey|S. Behera|S.P. Mohanty|C. Mithun|S.D. Mohapatra|L. Behera|B.C. Marndi|Jeevan B|Muhammed Azharudheen TP|Raghu S|R.P. Sah
印度奥里萨邦Kuttack的ICAR-Central Rice Research Institute，邮编753006

摘要：由种子传播的真菌Fusarium fujikuroi引起的Bakanae病是对水稻生产的一个新兴威胁。本研究对135个水稻基因型（87个已发布的品种和48个先进的育种系）的Bakanae病抗性、籽粒生化和物理特性以及遗传多样性进行了表征。在网室条件下进行的人工接种显示，病害指数（PDI）存在显著差异，范围从2.58%到100.00%（平均值为48.25 ± 0.03%）。在评估的135个基因型中，有68个显示出中度到高度的抗性，其中16个基因型的PDI低于5%。抗性最强的基因型包括TRB 419（2.58%）、TRB 429（4.17%）、TRB 403、TRB 411和TRB 425（每个4.35%）。籽粒特性存在很大差异；测试重量与PDI呈负相关（r = ?0.18, P = 0.034），而总籽粒磷和植酸与病害严重程度呈正相关。使用136个候选基因基SSR（cgSSR）标记的分析显示中等的多态性（PIC = 0.03–0.38，平均值为0.28）。UPGMA聚类将基因型分为四个不同的组，这些组在平均PDI方面存在显著差异。主要由先进育种系组成的组表现出最低的病害严重程度（21.8%，而其他组的病害严重程度为51.0–64.4%）。这些发现为识别遗传多样性和具有Bakanae抗性的基因型以及在水稻育种计划中选择合适亲本提供了有用的基础。

引言：
水稻（Oryza sativa L.）是最重要的谷物作物之一，是全球一半以上人口的主食，贡献了约20%的总饮食能量摄入量，尤其是在亚洲[1]，[2]。全球水稻种植面积约为1.63亿公顷，年产量约为5.17亿吨[3]。为了满足不断增长的人口对食物的需求，到2030年水稻产量需要增加约38%[4]。然而，实现这一目标受到耕地减少、劳动力短缺、水资源减少以及由生物和非生物胁迫引起的产量损失加剧的限制。在生物胁迫中，水稻生产系统正面临来自真菌、细菌和病毒疾病（如稻瘟病、细菌性叶枯病、鞘枯病和Tungro病毒）的压力[5]。在集约化单种种植和气候变异性增加的情况下，水稻疾病的流行病学正在发生变化，一些以前不太重要的病原体已成为重要的生产限制因素。例如，曾经被认为影响较小的Bakanae病、假黑穗病、鞘腐病、窄棕斑病和早期幼苗枯病，现在在许多水稻种植区被报道会导致显著的产量损失[6]，[7]。其中，由种子传播的真菌Fusarium fujikuroi（Nirenberg）[终形态：Gibberella fujikuroi (Sawada)]引起的Bakanae病已具有全球重要性，并在亚洲和欧洲的水稻种植国中被报道[8]，[9]。

Bakanae病主要影响水稻种子和幼苗，其特征是由于病原体诱导的赤霉素合成导致幼苗异常伸长。该真菌还会产生镰刀菌酸，从而导致幼苗坏死，症状的表现取决于毒素水平和宿主-病原体相互作用[10]，[11]。典型症状包括幼苗异常伸长、植株瘦弱、叶片呈淡绿色、节间长度增加以及最终植株死亡。这种病原体主要通过种子传播，并能在多种种子组织中存活，包括外稃、内稃、胚和胚乳，从而通过受感染的种子批次长期存活和传播[12]，[13]。温暖潮湿的条件（热带和亚热带水稻生态系统的特征）显著促进了疾病的建立、传播和流行发展。在轻度感染情况下，产量损失可达到15–25%，而在严重流行情况下，产量损失可能高达95%，这取决于品种的易感性和环境条件[14]，[15]。尽管Bakanae病历史上与巴斯马蒂米（Basmati rice）相关，但现在在非巴斯马蒂米和以籼稻为主的种植系统中也有所增加，特别是在印度东部[16]，[17]。

化学控制Bakanae病往往不可靠，因为病原体可以在种子内部组织中定殖并逃避杀菌剂的作用。此外，Fusarium fujikuroi的抗性菌株的发展进一步降低了化学管理的有效性[18]，[19]，[20]。因此，使用抗性品种被认为是管理Bakanae病最有效和可持续的策略[21]，[22]。

不同水稻亚种之间的Bakanae抗性存在差异，通常 japonica 杂交种表现出比 indica 杂交种更高的抗性[21]。然而，现代育种计划严重依赖于有限的优良亲本，导致遗传基础狭窄，并增加了对新的种子传播疾病（如Bakanae病）的脆弱性[23]。此外，现代品种中的抗性来源有限，且通常来源于农艺表现差和籽粒质量较低的本地品种[17]，[25]。已在不同水稻染色体上鉴定出多个与Bakanae病抗性相关的QTL，包括qB1、qB10、qBK1及其衍生物（qBK1.1、qBK1.2、qBK1.3）、qBK3.1、qBK1WD、qBK1Z、qFfR1、qBK1_628091、qBK4_31750955和qFfR9[21]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]。然而，F. fujikuroi种群的高遗传多样性和适应潜力可能会削弱由单个主要基因或个别QTL控制的抗性，强调了需要多样化和持久的抗性来源。尽管Bakanae病的重要性日益增加，但对不同年代发布的各种水稻品种和农业生态系统的抗性进行系统评估仍然有限，特别是在籼稻种质中。Bakanae抗性主要是定量的，大多数基因型表现出部分或中度抗性[30]，[61]。此外，Bakanae反应与籽粒物理、生化和质量特性之间的关系尚不明确，表型抗性与分子多样性和种群结构信息的整合也不充分[31]。在水稻中已鉴定出多种Bakanae抗性来源，包括本地品种、传统品种和少量改良品种[31]。众所周知的供体，如Zenith、Nampyeongbyeo、Shingwangbyeo和japonica衍生的品系（例如Greppi和L205），已被广泛用于抗性位点的定位（例如qBK1.2和qBK1Z）和抗性育种系的开发[21]，[23]。在印度，一些本地品种（如Kankjeer A和Lectimanchi-A）和先进育种系（如Pusa 1342）已被报道具有抗性；然而，由于农艺表现差、适应性有限和籽粒质量低，它们的直接应用受到限制[30]。重复使用少数供体也可能降低遗传多样性并影响抗性的长期持久性。因此，在农艺上优越的背景下识别遗传多样性的抗性来源非常重要[31]。

使用基于基因的产量相关标记进行的遗传多样性分析提供了有关水稻品种育种历史、种群结构和适应潜力的信息[21]，[23]。这些标记针对长期选择形成的功能基因组区域，可能有助于识别携带有用抗性的遗传多样性背景。然而，它们很少被用来研究Bakanae抗性。为了解决这些不足，本研究旨在：(i) 评估包括已发布品种和先进育种系在内的多样化水稻基因型的Bakanae抗性；(ii) 分析不同发布年代、成熟组和生态类型之间的抗性模式；(iii) 检查Bakanae病严重程度与籽粒物理和生化特性（总籽粒磷、植酸、直链淀粉含量和测试重量）之间的关联；(iv) 使用基于基因的产量相关标记评估水稻基因型的分子亲缘关系和种群结构及其与Bakanae病反应的关联。

**材料与种子准备**
在本研究中，我们评估了135个遗传多样性丰富的水稻基因型，包括87个已发布的品种和48个先进育种系（ABL）。这些已发布的品种涵盖了六个十年的品种发展时期（1961–2020年），代表了广泛的水稻种植生态条件。根据成熟时间，基因型被分为极早熟（9个基因型）、早熟（20个基因型）、中熟（12个基因型）、晚熟（39个基因型）和极晚熟（7个基因型）组。

**Bakanae病反应的差异**
在连续两年（2022年和2023年）评估的135个水稻基因型中，观察到对Bakanae病的反应存在显著差异。PDI的描述性统计数据显示，PDI值范围从2.58%到100.00%，平均值为48.25 ± 2.97%，中位数为36.52%。变异 coefficient为71.44%，PDI的频率分布略微偏正（0.33）且峰度（kurtosis）为1.53。

**讨论**
自20世纪60年代以来，育种工作主要集中在提高籽粒生产潜力上，重点放在提高产量和适应多种水稻生长环境上[38]。因此，对于Bakanae病的抗性育种相对较少关注，尽管这种病害曾经被认为是次要的约束因素，但现在在许多水稻种植区已成为严重的威胁，导致显著的产量损失。