十字花科栽培作物根肿病抗性研究进展

摘    要：根肿病是由芸薹根肿菌（Plasmodiophora brassicae Woron.）侵染引起的专性寄生在十字花科作物根部的一种世界性土传病害。笔者从根肿病病害特点、症状及分类，根肿病抗病基因的定位与分子标记及抗病机制等方面进行综述，并对十字花科栽培作物根肿病潜在的研究方向进行了展望，旨在为以后根肿病抗病研究提供参考。

关键词：十字花科栽培作物;根肿病;基因定位;抗病机制

中图分类号：S634+S635 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）10-001-09

Advances of clubroot resistance of cruciferous cultivated crops

SU Henan1， YANG Shuangjuan1， WEI Xiaochun1， ZHAO Yanyan1， WANG Zhiyong1， YIN Xi’en， ZHANG Xiaowei1， YUAN Yuxiang1

（1.Institute of Horticulture， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou 450002， Henan， China; 2.Yanling Ganluo Health and Old-age Care Co.， Ltd， Yanling 461200， Henan， China）

Abstract：Clubroot is a worldwide soil-borne disease of the cruciferous plants caused by Plasmodiophora brassicae. Herein， we summarized the biological features， symptoms and pathotypes differentiation of P. brassicae， gene mapping and molecular markers of clubroot-resistance gene， and molecular mechanisms of clubroot resistance. In addition， the future research direction is prospected in order to provide reference for future research on clubroot resistance.

Key words：Cruciferae; Clubroot; Gene mapping; Resistance mechanism

十字花科根肿病是由芸薹根肿菌（Plasmodiophora brassicae Woron.）侵染引起的世界范围内普遍发生的一种重要土传病害，在全世界多个国家均有分布[1]。黄齐望等[2]首次报道了十字花科作物根肿病在我国江西发生，近年来蔓延速度迅猛、发生程度加重、分布范围极广、经济损失严重。据统计，十字花科作物根肿病目前在我国20多个省（自治区、直辖市）均有不同程度地发生，尤其在西南部和中部发病地区危害最严重[3]。该病专性寄生在十字花科作物的根部，包括白菜、菜心、油菜、甘蓝、花椰菜、青花菜、芥蓝、萝卜、芥菜和芜菁等栽培作物，通过侵染根毛导致根部薄壁细胞增生而形成肿瘤，对大面积十字花科栽培作物生产影响巨大，一旦发病，蔬菜作物产量急剧下降，经济效益严重下滑[4]。

1 根肿病病害特点、症状及分类

1.1 根肿菌的生物学特征

根肿病病原菌为芸薹根肿菌，同时具有真菌和原生动物特性，目前普遍认为该菌属于原生动物界、根肿菌门、根肿菌纲、根肿菌目、根肿菌属[5]。根肿菌在土壤中的主要存活状态是形态和大小不一的休眠孢子[6]。王靖等[7]总结出油菜根肿菌休眠孢子直径为1.7～4.3 µm，白菜根肿菌休眠孢子直径为2.2～4.2 µm，结球甘蓝根肿菌休眠孢子直径为1.6～4.0 µm，根肿菌休眠孢子呈近球形。

当遇到适宜的环境条件时，土壤中的休眠孢子萌发释放初级游动孢子，初级游动孢子形成变形体，靠近并接触寄主根毛表皮，产生一种管状结构侵入细胞壁，完成根毛侵染阶段，此阶段的感病植株没有明显的表型病征[6]。初级游动孢子在侵染的根毛内形成原生质团，原生质团经过大量的核分裂后形成多个游动的孢子囊，已经成熟的游动孢子囊会释放出次级游动孢子，随后2个次级游动孢子融合形成双核的次级游动孢子，融合后的次级游动孢子侵入植株根部皮层细胞，完成皮层侵染阶段。皮层侵染阶段会导致植物根部细胞异常增生，引发根部肿大甚至畸形，形成不同形状的肿瘤[8]。

1.2 根肿菌的发病症状

根肿菌专性寄生在十字花科作物根部，从寄主植株的幼苗期到成株期均可发病。在发病初期，受侵染的植株发病症状并不明显，只在侧根处出现一些小瘤子，肿根表面通常比较光滑，对植物的地上部分生长基本没有影响。但是伴随着根肿菌侵染时间的延长，植株主根也出现肿瘤，根部的肿瘤逐渐膨大，肿根表面变得粗糙且发生龟裂，使其他的杂菌容易入侵根部，造成植株吸收养分受阻，从而导致发病植株地上部长势较弱、叶片逐渐萎蔫，且越到侵染后期发病越严重，最终引起整个植株枯萎死亡[9-10]。

根肿菌侵染不同的十字花科栽培作物，根部肿瘤的存在部位、大小以及形状也会产生差异（图1）。当根肿菌侵染的寄主是白菜、油菜、甘蓝和芥菜类蔬菜作物时，主根的肿瘤体积大且数量少，而在侧根的肿瘤体积小且数量多，根瘤的形态特征表现为球形、手指状或者短棒状[11];当萝卜、芜菁等蔬菜作物受到根肿菌侵染时，主根一般无肿瘤或者肿瘤存在于主根的末端，根上有较大缢缩黑疤，须根上有较多的肿瘤，侵染后期根上黑疤凹陷形成大的黑洞，且中空腐烂[12]。

1.3 根肿病生理小种鉴定

Honig[13]于1931年首先提出根肿菌生理小种存在变异分化，随着研究的深入，Ayers[14]、Lamrnerink[15]、Williams[16]、Johnston[17]、Toxopeus[18]和Buczack[19]等多位学者已经建立了多种鉴定根肿菌小种分化的系统，目前国内外学者公认的根肿菌生理小种的鉴别系统为Williams建立的Williams系统和Buczacki等建立的European Clubroot Differential（ECD）系统[20]。Williams系统的鉴别寄主分别由2个芜菁甘蓝品种和2个结球甘蓝品种共4个十字花科栽培作物品种组成，Williams通过统计这4个栽培作物品种对根肿菌不同的抗性反应，从而制定了Williams系统，该体系可以把从16个不同的国家和地区收集而来的124个菌株划分为9个不同的根肿菌生理小种。去除Williams鉴别系统中1个芜菁甘蓝品种，增加12个不同的十字花科鉴别寄主品种，利用这些鉴别寄主对不同生理小种的根肿病抗性来鉴定生理小种，命名为欧洲鉴别寄主体系的鉴别系统（ECD）。

根肿菌活体寄生的特殊性导致自然环境中并不存在单孢生理小种，侵染时都是以混合生理小种的状态存在，因此通过鉴别系统鉴别出的小种仅为该菌株的优势生理小种[6]。目前我国大部分地区的主要优势小种为4号生理小种，还有一些其他生理小种也被相继报道。原玉香等[21]通过Williams鉴别系统明确了河南省新野大白菜根肿菌是4号生理小种，通过ECD系统明确其生理小种为ECD16/15/31和ECD21/31/31，说明经Williams鉴别系统鉴定的该地区4号生理小种实际存在致病性差异;黄蓉等[22]通过Williams鉴别系统对江西省油菜根肿病发病区域进行鉴定，发现致病菌为4号和9号生理小种;张晶等[23]利用单孢分离技术和Williams生理小种鉴定方法对中国湖北利川、内蒙古通辽、陕西太白、山东青岛、北京、河南南阳、辽宁大连、辽宁沈阳以及云南昆明等9个大白菜主产区的根肿菌进行分离及鉴定，发现4号生理小种为中国大白菜主产区的根肿菌优势小种，同时还包含除5号以外的所有生理小种。

2 根肿病抗病基因与分子标记的研究进展

迄今，伴随着科技的不断发展，根肿病的相关研究已经从遗传学的理论水平发展到分子生物学水平，越来越多的十字花科栽培作物的抗根肿病基因被定位出来，通过杂交等常规育种途径和克隆、转基因等分子生物学手段导入感病的优良品种中，加快了十字花科作物抗根肿病的育种步伐。因此，研究根肿病的抗病机制和抗病性的遗传规律，不仅可以为十字花科栽培作物抗病育种提供相应的理论依据，另外，对于挖掘抗病基因、加快抗病育种的进程以及改良育种技术都具有十分重要的意义。

2.1 白菜抗根肿病基因定位与克隆研究

大白菜（Brassica rapa ssp. pekinesis，AA=20）属于芸薹属芸薹种，是起源于我国的一种重要蔬菜。其根肿病抗性研究工作进行较早，白菜中的根肿病抗性基因来源于不同亚种的欧洲饲用芜菁（Brassica rapa ssp. rapifera）[24]。在1998年，Matsumoto等[25]利用RFLP标记HC352b和HC181将根肿病抗性基因CRa定位于A03连锁群上，遗传距离分别为3 cM和12 cM。2003年，Suwabe等[26]利用4号生理小种接种抗性来源于Siloga芜菁的抗病大白菜F2分离群体，定位到了2个与根肿病抗性相关的位点，分别命名为Crr1（位于A08）和Crr2（位于A01），并筛选出2个紧密连锁的SSR标记BRMS-088和BRMS-096。2004年，Hirai等[27]利用Ano-01生理小种对大白菜抗病分离群体接种，经遗传分析确定一个由1对主效基因控制的新的抗根肿病基因Crr3（位于A03）。2006年，Suwabe等[28]利用抗感根肿病大白菜材料G004和A9709构建的F2群体，绘制遗传连锁图谱并进行共线性分析，发现了位于A06染色体上的Crr4。Piao等[29-30]对抗性来源于ECD01芜菁的大白菜分离群体接种4号生理小种，发现具有抗性的CRb位于A03连锁群，显性SCAR标记TCR09与CRb基因紧密连锁，遗传距离为0.78 cM，2个侧翼标记TCR01和TCR09与CRb之间的遗传距离为2.9 cM。Zhang等[31]认为CRb和CRa是两个紧密相连的抗性位点。Sakamoto等[32]通过接种2号生理小种和K04菌株，定位了来源于Debra芜菁的抗病基因，分别命名为CRk（位于A03）和CRc（位于A02）。Laila等[33]利用ddRAD-seq技术鉴定到1个新的抗性位点CRs（位于A08），不同于以往报道的位于A08染色体上的Crr1。Chen等[34]定位了来源于ECD04芜菁的抗根肿病基因PbBa3.1、PbBa3.2和PbBa3.3，这3个位点分别抗2、10和7号生理小种。Kato等[35]对抗病性来源于Gelria芜菁的抗病大白菜材料进行定位研究，定位到抗病基因CRbKato。Pang等[36]对大白菜抗感根肿病的F2分离群体进行定位研究，发现了位于A03染色体60 kb区域内的CRd，且CRd在Crr3的上游区域。Chu等[37]通过构建连锁遗传图谱及转录组学测序手段将Rcr1（Rpb1）精细定位在A03连锁群上，两侧分子标记MS7-9和sN8591，遗传距离分别为0.06 cM和0.19 cM。Huang等[38]通过对大白菜抗感根肿病材料进行RNA-seq研究，结果发现了位于A03染色体近端区的Rcr2。Huang等[39]利用Bulked Segregant RNA Sequencing（BSR-Seq）技术在A03染色体23 339 019～23 465 030 bp之间定位到1个新的抗病基因，命名为Rcr5。Chang等[40]对大白菜抗感根肿病池进行BSR-Seq和KASP分析，结果定位到了1个新的抗性基因，位于A08染色体14.8～15.4 Mb之间，命名为Rcr6。Yu等[41]在大白菜根肿病抗性研究中定位了3个抗性基因Rcr4（位于A03）、Rcr8（位于A02）和Rcr9（位于A08）。Karim等[42]利用BSR-Seq技术在大白菜A08染色体上定位了2个根肿病抗性位点Rcr3和Rcr9wa。Choi等[43]对大白菜抗根肿病研究发现1个位于Crr1和Rcr9位点附近区域的抗病位点PbBrA08Banglim，通过标记验证、基因的结构变异分析等手段确定了该位点是不同于上述抗病基因的新位点。Wei等[44]对大白菜抗根肿病研究发现1个位于A03染色体80 kb区域内的CRq，通过RACE克隆技术克隆出CRq的全长序列，包含3个外显子和2个内含子，与已报道的CRb（3个外显子和3个内含子）CDS序列一致。