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草莓白粉病病原菌及分子防御机制的研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-12-07 08:23

草莓（Strawberries）属于蔷薇科Rosaceae草莓属Fragaria，多年生常绿草本植物，浆果类果树[1]. 据联合国粮食及农业组织（FAO）数据显示（http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC/visualize），从1994—2016年全世界草莓种植面积和草莓产量均逐年增加，中国草莓种植规模也逐年扩大，产量居世界第一. 随着我国草莓种植的迅速发展、栽培模式的多样化及国内外引种与育种工作的日益频繁，草莓病虫害的种类和发病频率不断增加，危害也越来越严重[2]. 目前，中国草莓病害有20多种，虫害有40多种[1]. 而全世界范围内，草莓的真菌病害长期以来都给种植户带来严重的经济损失. 草莓真菌病害分为两类：土传性病原菌（soil-borne pathogens）病害和空气传播型病原菌（aerial pathogens）病害，草莓白粉病（strawberry powdery mildew）属于空气传播型病害，容易大面积爆发[3]. 我国于1959年首次在沈阳农学院温室草莓上发现白粉病[4]. 目前，草莓白粉病已经成为危害我国草莓种植和草莓果实采后贮藏的主要真菌病害之一[5].

以“草莓白粉病”为主题词，查阅中国知网数据库（http://www.cnki.net/）和万方数据库（http://www.wanfangdata.com.cn/index.html），文献检索结果显示，截至目前（1963—2018年），中国知网数据库中有450篇相关论文，而万方数据库中有686篇，其中仅有2007年刘博等发表于《河南农业科学》的1篇，对草莓白粉病的病原菌、发病症状和规律以及防治措施进行了系统性综述，而其余文献的主题均为研究草莓白粉病的生物和化学防治[2]. 所检索的文献表明，该病原菌属于专性寄生真菌，但文献中对草莓白粉病的病原菌报道不一致，例如：刘博等[2]、王阿旺等[6]、武哲等[7]、李红霞等[8]表述该病的病原菌为草莓白粉菌（Sphaerotheca aphanis （Wall.） Braun）；关玲等[9]、杨瑞等[10]表述该病原真菌为S. macularis f. sp. fragariae；张志宏等[11]、刘艳等[12]表述为S. macularis. 关于植物病原病害的防治，我们应依据对病原菌进行准确鉴定，了解相应的生活史和防御机制来进行科学有效的病害防治，而不能一味地使用广谱化学制剂和生物制剂进行防治. 针对目前国内文献中鲜见对草莓白粉病病原菌的准确与全面论述，及对其病原菌生活史和草莓防御机制进行详细综述与研究的报道. 所以，笔者对草莓白粉病病原菌的种类与分类历史、生活史研究，及草莓植株抗病防御机制研究等方面进行系统综述，为草莓白粉病的鉴定和防治提供理论依据.

1. 草莓白粉病病原史

美国植物病理学会（American Phytopathological Society, APS）是致力于研究和防治植物病害的国际权威机构. 该机构发布了一份侵染100多种农作物常见病害的病原清单，其中包括草莓病害相关病原菌的介绍（http://www.apsnet.org/publications/commonnames/Pages/Strawberry.aspx）. 目前，草莓真菌病病原菌的种类数量超过67种，其中47种属于子囊菌门Ascomycota、10种属于不等鞭毛门Heterokonta、4种属于担子菌门Basidiomycota、1种属于壶菌门Chytridiomycota、5种属于接合菌门Zygomycota，所有的病原菌均能对草莓根、茎、叶、花和果中的一个或多个组织器官进行侵染，造成相应的病症和病征[13]. 该清单中显示草莓白粉病的病原真菌为S. macularis （Wallr.:Fr.） Lind 和 S. humuli （DC.） Burrill.

1753年，Linnaeus等[14]首次在其发表的专著《植物种志》（Species Plantarum）一书中阐述了白粉病（powdery mildew）的分类地位，并首次将白粉病病原菌命名为Mucor erysiphe L. . 1900年，Salmon 基于形态学进行分类，将导致白粉病的病原菌分为6个属、49个种和11个亚种，同时还首次报道了草莓发生白粉病病害病征[15-16]. 对于草莓白粉病病原菌的鉴定，由Khan等[17]和Peries等[18-19]分别于1960和1961年完成，认为该病原菌为S. humuli （DC.） Burrill和S. macularis，其中病原菌S. humuli （DC.） Burrill也是导致植物啤酒花（hop）产生白粉病（hop powdery mildew）病症的病原菌. 之后的一段时间内，诸如Horn等[20]和Smith等[21]研究人员普遍认为两种病原菌可能是相同的种. 但是，Liyanage等[22]于1976年发现两种病原菌的闭囊果附属丝（cleistocarp appendages）结构明显不同，同时S. humuli对植物啤酒花（hop）具有高度的专化性，因此，证明两种病原菌是不同的真菌种. 最终证实能使草莓发生白粉病病征和病症的病原菌为S. humuli （DC.） Burrill和S. macularis.

Braun等[23]于2006年，基于28S rDNA序列分析，并结合形态学分类，将白粉菌目重新分为5个族，草莓白粉病病原菌被重新划分为Podosphaera aphanis 和 P. macularis，相关的分类得到同行的广泛认可. Carisse等[24]和Aslaf等[25]于2013年分别在植物病理学国际权威杂志《Plant Disease》和《Phytopathology》上发表草莓白粉病相关文章，表明草莓白粉病的病原菌为P. aphanis （Wallr.） U. Braun & S. Takam. （曾用名 S. macularis （Wall. ex Fries） Jacz f. sp. fragariae （Peries）, P. macularis）. 因此，目前研究人员普遍认可的草莓白粉病病原菌为：

P. aphanis [P. aphanis （Wallr.） U. Braun and S. Takam] = S. macularis [S. macularis （Wall. ex Fries） Jacz f. sp. fragariae （Peries）] = S. humuli [S. humuli （DC.） Burrill] = P. macularis.

在草莓白粉病的深入研究中，研究人员也发现，能对草莓产生白粉病病症和病征的病原菌，除了上述普遍认可的病原菌外，还存在一些新的病原菌，例如：Jarmoliča等[26]和Pertot 等[27]相继报道了草莓白粉病新的病原菌，发现来源于草莓并能产生白粉病病征的病原菌S. aphanis，经DNA分子检测，与P. aphanis的同源性为100%. Pei等[28]于2017年在杂志《Plant Disease》进行首次报道，表明在中国的华中地区，引起草莓白粉病症状的病原菌为Golovinomyces orontii，为该病害的防治提供了新的理论依据.

2. 草莓白粉病病原菌的生活史

植物病害的发生，伴随着病原菌侵染、定殖等一系列病原菌生活史的相关问题. 草莓白粉病是一种多循环病害（polycyclic disease），属于专性植物病原菌，侵染植物组织，并在植物组织中生存和繁殖的真菌病害[14]. 该病原菌侵染草莓的茎、叶、花和果等器官，病原菌侵染后产生的菌丝体会附着在叶片表面，影响草莓植株的光合作用，最终导致叶子的坏死和脱落，同时还影响草莓果实的品质和采后储藏过程[13].

草莓白粉病病原菌（P. aphanis）的生活史包括无性世代和有性世代[14, 25]（图1），分别产生分生孢子（conidia）和闭囊壳（chasmothecia or cleistothecia）.

图 1 草莓白粉病病原菌的生活史（有性阶段和无性阶段）.引自文献[29], 部分修改.

Figure 1. Life cycle of P. aphanis. adapted with minor changes from reference[29]

无性世代发生在每年的4—8月，病原菌P. aphanis形成分生孢子，通过分生孢子附着于草莓叶子表面，形成相应的结构从植物体中获取营养物质，并以风为媒介进行快速传播. 有性世代一般在8月份至次年的3、4月份左右，从闭囊壳到子囊孢子的形成，完成病原菌的有性世代过程[29]. Jin等[30]发现草莓白粉病病原菌P. aphanis 在秋冬季节会形成大量的闭囊壳. 但Howard和Albregts等发现该病原菌在生活史或某些环境中很少产生子囊壳（Perithecia）和闭囊壳（Cleisthotecia），Gadoury等认为这一现象可能是由于该病原菌属于菌丝雌雄异株型（Heterothallic）[31].

草莓白粉病病原菌在生活史的各个环节中，同时受到生物和非生物因子的影响，其中非生物因子主要包括环境的温度、相对湿度、光照强度和降雨量等. 研究表明[19, 32-34]：P. aphanis侵染草莓植株的最低温度为5 ℃，最适温度在15~30 ℃，最高温度为30 ℃；孢子形成的最低温度13 ℃，最适温度25 ℃，最高温度为35 ℃；孢子萌发的最低温度在2~5 ℃之间，最适温度15~22.5 ℃，最高温度在30~38 ℃之间. 环境的相对湿度（relative humidity, RH）对病原菌也有直接的影响，侵染的最低相对湿度要求为30%；孢子形成的最低相对湿度为35%；孢子萌发的最低湿度在8%~12%之间，最适相对湿度需控制在97%~100%之间. 高于或低于上述因子的最适范围值，都会导致病原菌的数量减少. Amsalem等[32]和Suthaparan等[35]研究表明，该病原菌适宜在阴凉环境中生长和繁殖，当有强光或紫外线（UV-B）直接照射时，会显著降低病原菌孢子的萌发率和生长率. 降雨量也是影响病害发生的因子之一，Blanco等[33]和Gadoury等[31]研究发现降雨能导致白粉病病原菌的传播，但在最适温度和最适相对湿度情况下，降雨后产生的游离水分会阻碍风媒传播孢子的途径及孢子的萌发，从而阻断病原菌的生活史过程，降低病害的发生. 因此，在草莓白粉病的防治过程中，有目的地针对病原菌生活史每个阶段的非生物因子进行人工干预，阻断病原菌生活史，可以达到防治病害的效果.

3. 草莓植株的抗病分子防御机制

自然界中没有生物能够单独生存，植物与其相关环境中的微生物存在复杂的相互作用，其中植物病原微生物具有寄生性和致病性，而植物的防御系统能识别病原微生物并利用自身的防御机制来抵抗病原菌的入侵和昆虫的伤害[36]. 病原微生物在接触、附着、识别、侵入和定殖寄主植物时，植物宿主会利用先天免疫（innate immunity）对病原微生物进行初级防御，但病原微生物本身也会借助营养攫取、伤口、产生胞外酶、毒素和免疫抑制因子等，诱发宿主植物病变，导致产生病害特有的症状[37]. 在与病原物在长期的共同演化过程中，针对病原菌的多种致病因子，草莓植株也产生了复杂的抗病机制. 因此，研究草莓植株的抗病机制，能更好地揭示病原微生物入侵、定殖等过程的本质，合理利用抗病机制，能科学合理的控制病害的发生.

目前的研究表明，草莓植株的分子防御分子机制包括3个主要过程（图2）：草莓的被动防御（strawberry passive defenses）、草莓病原微生物和虫害感应（microbe/pest sensing）和草莓的主动防御（strawberry active defenses）. Ferreira等[38]研究发现，当草莓果实器官受到外界病原物刺激时，草莓植株会因刺激而产生被动防御（strawberry passive defenses），通过细胞壁、角质层等细胞结构对病原物产生物理防御，从而抵抗病原菌对植物的入侵. Osorio等[39]发现，野生草莓种中的森林草莓（Fragaria vesca）植株受到灰霉病病原菌（Botrytis cinerea）入侵时，该病原菌会刺激草莓细胞壁上的糖醛酸发生部分脱甲基作用，使草莓植株产生固有的抗菌物质，诱发草莓植株产生化学防御. 目前，Guidarelli等[45]、Salazar等[37]对草莓炭疽病的病原菌Colletotrichum acutatum入侵草莓植株时产生的被动防御体系进行了详细报道，发现该病原菌的入侵，会导致草莓植株细胞壁和角质层的增厚，产生防御作用；同时，也会产生聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase enzymes）使其能更容易的入侵植株. 但草莓植株发生白粉病症状时，相应的病原菌入侵植株时所产生的被动防御机制原理并不清楚，目前国内外鲜见草莓白粉病发生时植株如何进行相关的物理和化学防御机制的研究报道.

图 2 草莓植株中已知的抗病机制. 引自文献[37], 部分修改.

Figure 2. Known defence responses in strawberry. Adapted with minor changes from reference [37].

草莓植株在受到病原菌入侵时，能通过自身代谢产生化合物对病原菌进行防御. Arroyo等[40]、 Hanhineva等[41]和Puhl等[37]研究表明，当草莓植株受到灰霉病病原菌Botrytis cinerea 侵染时，草莓植株会合成三萜类、酚类、黄酮类、异黄酮醇类以及参与脂氧合酶途径的相关化合物，该类化合物对灰霉病病原菌具有防御作用；草莓炭疽病病原菌（C. acutatum, C. fragariae, C. gloeosporioides）能使草莓植株产生三萜类（异丙酸，环丙酸等）和参与脂氧合酶途径的相关化合物抵御炭疽病病原入侵；草莓红中柱根腐病菌（Phytophthora fragariae）受到草莓植株合成的三萜类化合物的抑制；草莓叶斑病（Mycosphaerella fragariae）又称蛇眼病、白斑病，当其病菌入侵草莓植株时，植株产生花青素儿茶酚（proanthocyanidins catechins），能对该病原菌进行精确识别. 但目前国内外针对草莓白粉病病原菌的侵染过程与草莓植株化合物合成的抗病机制的研究鲜见报道.

Zamora等[42]研究发现草莓植株在抗生物和非生物因子的胁迫反应中，表现出与高等植物相类似的植物抗病性分子防御机制. 当草莓植株受到病原微生物入侵时，能激发草莓植株的非特异性基础抗性（strawberry non-specific basal resistance, PTI）和草莓植株R蛋白的触发性免疫效应（strawberry plant r-proteins: effector-triggered immunity, ETI）. Miles和Schilder等[43]的研究报道草莓植株对病原物的防御机制和草莓果实品质性状之间的存在相关性，随着果实的成熟，病虫害对草莓植株的易感能力也会提高. Barritt等[44]和Amilruiz等[37]发现草莓果实的硬度和细胞壁的结构密切相关，坚硬的果实对病虫害的防御效果显著，因此，不同品种的草莓细胞壁具有不同结构和组成，导致不同的品种表现出不同的抗病虫害效果. 草莓果实在成熟期间会发生各种各样的生理生化反应，比如细胞壁膨胀，果实软化，pH变化和可溶性糖的增加. 这些生理生化指标的改变和病原菌释放的细胞壁降解酶，使植物对病原菌的防御降低，最终导致病害的发生. 据Guidarelli等[45]报道，草莓栽培品种在果实成熟期间，由于植株细胞壁的变化，导致草莓炭疽病病原菌C. acutatum更易感染草莓植株. Chandler等[46]认为不同草莓品种在果实成熟期，果实的软化程度不同，因此，病原菌对不同的草莓品种的感染能力也具有显著差异性.

草莓的主动防御（strawberry active defenses）包括过敏性细胞死亡、细胞壁增厚、氧化迸发、植物保卫素积累、调节激素平衡、病程相关蛋白和诱发抗病性等过程，其中病程相关蛋白（PR protein）可攻击病原菌、分解病原菌细胞壁结构、降解病原菌产生的毒素、抑制病毒外壳蛋白与植物受体结合[36]. 草莓植株中的病程相关蛋白包括与草莓灰霉病抗性相关的PR1；与草莓炭疽病抗性相关的PR2、PR3、PR9、PR13和PR14；与同时具有草莓灰霉病和炭疽病抗性的PR5和PR10；与同时具有草莓灰霉病和黄萎病Fusarium oxysporum抗性的PR6；及具有几丁质酶活性的PR8；总计10种病程相关蛋白[37]. 2011年，Shulaev等[47]首次报道了草莓野生种森林草莓Fragaria vesca 的全基因组序列，因此，我们能更好地从基因水平探索草莓植株与病原菌之间的互作关系. 目前，研究人员除了发现与草莓相关的病程相关蛋白，还运用转录组学的方法，报道了15类与草莓防御相关的蛋白，其中除多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（polygalacturonase inhibiting protein）能同时对草莓灰霉病和炭疽病起防御作用，其余防御蛋白均与草莓炭疽病的诱导和防御有关.

上述分子机制阐明了草莓植株与病原菌互作中植株器官如何感应病原菌做出相应的机制调节、植株相关防御基因的作用及其产物对病程发展的影响；同时还介绍了病原菌的致病基因及其表达和草莓植株的抗病性、感病性基因及其表达的相关研究进展，从分子水平揭示草莓植株对病原菌的分子抗性机制. 但目前针对草莓白粉病的分子防御机制报道较少，仅李贺等[55]发现高盐等逆境环境能显著抑制草莓miR390基因的表达，而该基因在拟南芥中表达能使植株适应不同的逆境胁迫，因此明确草莓miR390基因的表达特性，能为揭示其与草莓白粉病抗性的关系奠定理论基础. 综上所述，国内外对草莓白粉病的分子防御机制研究处于相对停滞状态，相关的抗病防御机制尚不清楚.

4. 总结与展望

草莓植株病害的种类繁多，包括细菌、真菌和病毒病害，且病害的发生和发展规律不同. 因此，在针对草莓白粉病的防治过程中，我们不能采用单一的化学防治或生物防治措施，应依赖多种防治措施相结合，从而避免由单一措施导致病原物产生抗性. 目前，国内对草莓白粉病的综合防治，主要是针对草莓植株表现出白粉病症状来进行化学和生物防治. 例如，刘永春等[48]、杨凤丽等[49]、李娜等[50]、朱卫刚等[51]和唐莎莎等[52]使用相应的化学试剂，武哲等[7, 53]利用2%武夷菌素和放线菌菌株、陈冲等[54]使用蜡状芽孢杆菌等生物试剂对草莓白粉病进行防治，均能达到有效的防治效果. 虽然研究人员对草莓白粉病进行了化学和生物防治，但病害的发生并没有得到有效的控制，反而随着化学药剂和环境的变化，白粉病的发生还在持续，这可能与不能准确鉴定引起白粉病发生的病原菌有关. 同时化学防治必然导致化学药剂的残留，而草莓果实是可供人们直接食用的浆果，因此化学防治必然会对人体健康造成潜在的危害. 从农业的可持续发展和人类健康的角度出发，进行生物防治，分离、筛选抗草莓白粉病菌的植物益生菌（plant probiotics），是未来草莓产业发展的重要途径. 随着环境的改变，以及病原物和环境之间的相互关系，植物病害的种类随之增多，引起同种症状的病原菌可能因地理环境的不同和植株品种的不同而存在差异. 本文综述了草莓白粉病病原菌的种类，为研究者在查询和研究该病害时提供全面系统的理论依据.

在今后的研究中，我们应关注全国草莓主栽区范围内，白粉病病原菌是否存在差异；不同草莓品种发生白粉病病状的病原菌是否存在差异？因为对白粉病病原菌的准确鉴定是进行精确防治的基础. 通过精准的病原菌鉴定，才能合理利用化学防治、生物防治和物理防治、并根据病原菌的性质不同等特点而采用有害生物综合治理（IPM）的管理体系进行草莓白粉病的综合防治[36]. 笔者总结了目前已报到的能使草莓发生白粉病症状的病原菌，为草莓白粉病的防治提供理论依据，同时也为相关科研工作者在搜索和了解草莓白粉病时，提供了科学和全面的检索关键词.

准确和全面掌握草莓白粉病的病原史，同样能为其防治提供科学的依据. 研究表明草莓白粉病病原菌P. aphanis存在有性生殖和无性生殖两个世代. 在其生活史中，不同阶段受不同环境因子的影响. 笔者对草莓白粉病病原菌生活史的论述，弥补了国内文献报道的不足，为病原菌的理论研究提供依据. 目前，植物病害的发生，伴随着多种微生物动态的变化和非生物因子的相互作用，因此，当我们在讨论草莓白粉病发生时，还应研究草莓植物病害循环（disease cycle）过程. 植物病害循环是研究寄主植物群体与植物病原生物群体在时间和空间上的变化过程，且植物病害循环不同于病原菌的生活史（life cycle），生活史相同的病原菌所引起的病害循环可以完全不同[36]. 在后续的研究中，我们可以通过高通量测序技术（high-throughput sequencing），探讨草莓白粉病发生时，微生物群落的动态变化，及微生物群落与环境因子的关系，能更好的了解病害发生的过程.

目前，针对草莓植株对病原菌分子抗病机制的研究，主要集中在草莓炭疽病和灰霉病与草莓植株互作方面的研究，鲜见草莓白粉病病原菌侵染草莓植株的抗病分子机制的报道，因此，利用已知的抗病分子机制模型，研究草莓白粉病发生时草莓植株的抗病分子机制过程，将是研究人员未来的课题. 准确鉴定草莓白粉病病原菌、掌握其生活史和入侵的分子机制，将有利于人为改善草莓植株、病原物与环境三者之间的相互关系，达到控制草莓白粉病发生的目的；同时也能为草莓抗白粉病的品种选育和改良草莓栽培模式等提供理论依据.