葡萄霜霉病研究进展

李博雅, 冉隆贤, 施李鸣, 张克诚, 葛蓓孛

中国农学通报. 2023, 39(4): 125-131

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中国农学通报 ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (4) : 125-131. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0110
植物保护·农药

葡萄霜霉病研究进展

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Research Progress of Grape Downy Mildew

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摘要

文章介绍了葡萄霜霉病病害症状及侵染循环过程,归纳了其对卵孢子的形成发育及该病菌侵染后相关分泌蛋白的产生与变化,总结了葡萄霜霉病的致病机理。同时针对目前葡萄霜霉病的防治手段,分别从选育抗性品种、农业物理防治、生物防治、化学防治及综合防治等方面进行梳理与综述,以期为后续的葡萄霜霉病的研究与病害治理提供参考。

Abstract

The article introduced the symptoms of grapevine downy mildew and the process of infestation cycle. Moreover, it summarized the formation and development of oospores, the production and changes of the relevant secretory proteins after the infection of the fungus, and the pathogenic mechanism of grapevine downy mildew. At the same time, the control methods of grapevine downy mildew were reviewed from the aspects of the selection of resistant varieties, physical control, biological control, chemical control and integrated control, aiming to provide reference for subsequent research and disease control of grapevine downy mildew.

关键词

葡萄霜霉病 / 侵染循环 / 抗病育种 / 防治手段 / 综合防控

Key words

grape downy mildew / infestation cycle / resistance breeding / control technology / integrated control

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李博雅 , 冉隆贤 , 施李鸣 , 张克诚 , 葛蓓孛. 葡萄霜霉病研究进展. 中国农学通报. 2023, 39(4): 125-131 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0110
LI Boya , RAN Longxian , SHI Liming , ZHANG Kecheng , GE Beibei. Research Progress of Grape Downy Mildew. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2023, 39(4): 125-131 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0110

0 引言

葡萄(Vitis vinifera)为葡萄科葡萄属木质藤本植物,是世界上最古老的果树之一,原产于欧洲和亚洲西部,已有5000余年栽培历史[1],在中国栽培面积广泛,是具有较大栽培价值的果树。葡萄也是著名的水果和酿酒原料,浆果晶莹剔透,鲜食口感极佳,且随着生活饮食结构变化,葡萄产业的需求量日益增多,同时葡萄酿酒产业的蓬勃发展[2],也使得葡萄成为世界果品中贸易量最大、贸易产品种类多、贸易额高的树种[3]。随着国内葡萄种植面积和产量迅速上升,2021年中国葡萄种植面积与2020年持平,为78.3 万hm2,居世界第3位[4]。世界各地的葡萄约95%集中在北半球,中国的葡萄种植产业主要分布在北方地区。葡萄在栽植过程中容易发生病虫害,如果防控不当会降低葡萄品质和经济效益。
目前,葡萄发生的病害大约有41种,生产中主要病害包括葡萄霜霉病、葡萄灰霉病和葡萄白粉病等。其中,葡萄霜霉病是世界范围内葡萄生产中最严重的病害之一,该病害起源于北美洲,1870年随着根瘤蚜砧木引种进入欧洲,因欧洲葡萄品种不抗霜霉病,导致欧洲的葡萄产业遭受了极严重的损失。1915年,葡萄霜霉病造成法国葡萄产量减少70%以上[5]。葡萄霜霉病是气候主导的流行性病害,通常发生在气候温和潮湿的种植区域,一般危害时造成葡萄减产达20%~30%,严重时损失可达70%~80%,甚至造成葡萄园颗粒无收[6]。因此,对于葡萄霜霉病的防治与研究迫在眉睫。笔者对前人的研究结果进行总结,以期为后续的葡萄霜霉病的深入研究与病害治理提供参考。

1 葡萄霜霉病的病原及症状

葡萄霜霉病是由葡萄生单轴霉(Plasmopara viticolai)引起的卵菌病害[7-8],其病原菌为专性寄生菌,危害葡萄时在发病部位会产生白色霜霉状霉层,即病原菌的孢子囊及孢子囊梗[9]。葡萄霜霉病是一种古老的世界性病害,同时也是葡萄稳产、高产的主要限制因素之一。多雨潮湿的天气容易造成霜霉病流行,叶片感病后发病初期叶片上出现半透明、边缘不清晰、水渍状不规则的病斑,数日后病斑变淡绿色,发病4~5天后,病斑背面出现白色霜霉状物。葡萄霜霉病主要侵染葡萄叶片,也会侵染新梢、卷须、果实等组织,严重时造成落叶[10-12]及果粒干缩旱落,由于该病破坏叶片,严重剥削葡萄养分合成能力,导致枝条不能正常发育成熟,影响花芽分化,降低葡萄生产能力。

2 葡萄霜霉病侵染循环及发病规律

葡萄霜霉病属于多循环气传性病害(图1[13]。其病菌从侵入到发病仅需要3~5天[14],一旦环境适宜,从田间出现中心病株到全田普发,仅需10~15天[15]。霜霉病病原菌主要以卵孢子在病叶中越冬[16],在冬季温暖的地区或年份,可以以菌丝在芽或没有落的叶片上越冬,来年条件适宜时传播到寄主叶片上,可反复进行侵染。对于新形成的卵孢子会经历一个成熟过程,在此过程中完成细胞学和生理学的过程[17-18],并在萌发时产生原发性感染的孢子。
图1 葡萄霜霉病侵染循环

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3 葡萄霜霉病致病机制

3.1 卵孢子的成熟与萌发

卵孢子在葡萄霜霉病的整个侵染循环中起到了十分重要的作用。首先卵孢子是病原菌越冬的重要形式,可以通过伴随寄主植物越冬产生再侵染。其次经过简单序列重复也间接研究了卵孢子对葡萄霜霉病流行的贡献[19]。目前对于卵孢子的研究主要集中于其生殖阶段和影响生活力的因素[20-22]及病害流行模型的构建[23-24]等。Bitencourt[25]在巴西南部地区发现卵孢子具有有性生殖阶段。卵孢子能够在后熟期(或后熟期后)萌发,并且卵孢子的后成熟长度被确定为卵孢子在20℃孵育孢子囊所需的时间间隔[26-27]。Maddalena等[28]通过研究确定了卵孢子成熟和萌发的最重要的因素以及与葡萄物候的关系,研究了病原菌与宿主之间是否存在同步性,同时基于卵孢子的萌发和原发性感染建立的预测模型有助于确定防治该病害的正确时机,从而实现更好的病害管理。

3.2 分泌蛋白的相关效应因子的鉴定及功能验证

目前,有关葡萄霜霉病的分泌蛋白也日渐成为研究热点。葡萄霜霉病可以诱导和分泌相关氨基酸分泌蛋白,通过关闭2个或更多特定的防御相关信号通路,促进感染从而达到降低宿主抗性的目的。关于葡萄霜霉病菌中分泌蛋白的作用机制的研究主要是围绕RxLR类的效应因子而展开。通过Mestre[29]、Yin[30]、Mestre[31]、Xiang[32]等研究证实,RxLR类效应因子可以通过效应蛋白从真菌中转移到寄主植物细胞中,通过鉴定发现这些效应蛋白均能抑制由BAX和INF1引起的细胞死亡,进而抑制PTI、ETI和其他类型的免疫反应等,葡萄霜霉病的相关分泌蛋白的基因名称与功能见表1
表1 葡萄霜霉病菌与致病性相关分泌蛋白的部分基因及其功能
基因名称 致病机理 参考文献
PvRXLR28 抑制防御基因、损害H2O2积累 [33]
PVRXLR16 直接导致细胞死亡 [33]
PVRXLR159 抑制抗性 [34]
PVRXLR131 靶标抑制剂促进感染 [35]
PvAVh74 诱导细胞死亡 [36]

4 萄萄霜霉病的防治现状

葡萄霜霉病菌是一种专性寄生菌,又称为专性活体营养,不能在离体培养基上保存。因此,针对葡萄霜霉病的防治也更加困难。目前,应用于葡萄霜霉病的防治手段主要有增强品种抗性及选育抗性品种[37]、农业措施防治、物理防治、生物防治、化学防治[38]及综合防治6种。

4.1 选育抗性品种

感病寄主是病害发生与流行的前提,不同的葡萄品种对葡萄霜霉病的抗性存在差异,同一葡萄品种对不同来源的霜霉菌株也存在抗性差异[39-40]。研究表明,‘阳光玫瑰’、‘摩尔多瓦’、‘夏黑’、‘北冰红’等[41]对霜霉病菌具有较好的抗性。利用基因调控等可以赋予植物抗性,如Bhatia等[42]鉴定出的IncRNAS揭示了葡萄转录重编程,可以增强易感品种的抗真菌胁迫能力。Tiemei等[43]发现葡萄菌株VvNAC通过抑制vvgli-4负向调节MG解毒,增强对霜霉病菌的抗性。Zeraye[44]发现以Dicer-like基因靶标的双链DNA可以破坏葡萄霜霉病的致病性,从而提高对霜霉病菌的抗性。Burdziej等[45]发现将3种公认的植物防御刺激剂(PDS)、茉莉酸甲酯(MeJA)、苯丙噻二唑(BTH)和膦酸酯(PHDS)喷洒在葡萄枝条上,可以赋予葡萄对病原体的抗性。

4.2 农业物理技术措施

葡萄霜霉病菌的卵孢子可以在葡萄的一个生长季内持续成熟萌发,对病害流行的贡献率为26%~78%[46]。田间越冬卵孢子基数是影响次年葡萄霜霉病发生与流行的基础,因此要注意除草和果园种草、降低地面湿度、抑制霜霉病菌孢子囊的形成。避雨栽培可以通过增加植株冠层的温度和昼夜温差,来调整葡萄植株冠层的微环境[47],从而起到减轻葡萄霜霉病发病率的作用。在巴西南部一个酿酒葡萄园的研究显示,采用新枝垂直分布形(VSP)修剪方式可以降低‘美乐’和‘赤霞珠’葡萄霜霉病的发病率[48]。同时要加强水肥管理,促进树体生长健壮而不徒长,提高树体的抗病能力,重视有机肥的施用,在栽植过程中,及时摘心、绑蔓,减少病菌从地上部叶片的初次侵染。在葡萄收获后,要彻底清园,清除菌源,收集病叶,集中深埋或烧毁,避免病菌残留体入土越冬。研究表明,在温室或大棚中利用基于LED的特定装置在UV-C光下照射也可以推动植物防御[49]

4.3 化学防治

在葡萄的防治管理过程中,化学防治是最为普遍的防治方式[50]。生产上针对葡萄霜霉病的化学防治药剂,从功能上可以划分为保护型杀菌剂和治疗型杀菌剂。在病菌侵染之前,使用保护型杀菌剂以防病菌的侵入与定殖,常见的保护剂有铜制剂(如波尔多液、喹啉铜等)、代森锰锌[51]、甲氧基丙烯酸酯类(如嘧菌酯[52]、吡唑醚菌酯[53]、烯肟菌酯[54])等,都可以有效防控葡萄霜霉病,但值得注意的是,保护型杀菌剂必须在病害发生之前使用才有效果,因为其普遍内吸传导性比较差,主要是在叶片上形成一层保护膜,因此在喷洒时要均匀,保证叶片正背面都能覆盖药剂。在病害侵入定殖后,通过使用治疗型杀菌剂来治疗葡萄霜霉病,常用的治疗型杀菌剂有甲霜灵[55]、霜脲氰[56]、霜霉威[57]、缬霉威[58]、烯酰吗啉[59]、噻唑类(如氟噻唑吡乙铜、噁铜·氟噻唑)[60-61]等均对葡萄霜霉病有较好的防治效果。但过量用药、盲目用药等现象的出现[62],导致抗药性增加、农药残留污染等问题,为了确保农业生产和环境生态安全,需要科学用药。

4.4 生物防治

生物防治的本质就是利用生物种间关系、种内关系,调节有害生物种群密度,它以无污染、不产生抗药性等优点逐步成为一种重要、有效的防治手段,相较于化学防治,生物防治更加安全、生态,具有广阔发展前景。
植物源农药具有环境友好、对非靶标生物安全、不易产生抗药性等特点[63]。如落叶松和醋酸落叶松提取物、胡椒叶甲醇提取物[64]、小茴香和远志提取物[65]等都对葡萄霜霉病有较好的防治效果;葡萄叶提取物[66]中的白藜芦醇和紫檀芪也对葡萄单轴霉有显著的抑制作用;樟树枝叶提取物不仅可以防治葡萄霜霉病,其中的成分如芦丁和槲皮素[67]还可以开发为植物源药剂。丁子香酚、苦参碱、小檗碱[68]田间防效均在80%左右。以祁连圆柏叶片和艾草为原料[69],添加青杨锯末制成烟雾剂也可以防治葡萄霜霉病。杭州市农业科学研究院研制出3%壳聚糖水剂型的高效广谱免疫诱抗剂保康灵1号,也对葡萄霜霉病有较好的防治效果[70]。近年来,国内外也广泛利用微生物及代谢产物来抑制病原菌的生存和活动。研究发现,芽孢杆菌类对葡萄霜霉病有较好的防治效果,如枯草芽孢杆菌GLB191、PT46[71]等,短小芽孢杆菌GLB197等,解淀粉芽孢杆菌PG12[72]、EDR4[73]、B15[74],甲基营养型芽孢杆菌T3[75],多粘类芽孢杆菌PB-2[76],内生枯草芽孢杆菌JL4[77];除芽孢菌外,芸苔链格孢菌6Y1[78]、暗黑链霉菌PY-1[79]、苍白杆菌SY286[80] 、乳酸菌[81]等也对葡萄霜霉病具有良好的防治效果。

4.5 综合防治

针对葡萄霜霉病这一毁灭性病害防与治同样重要,要两方面结合入手,在进行预防葡萄霜霉病时,基于葡萄霜霉病的发生与流行,对其进行准确的预测预报,可以有效地指导田间病害的精准化防治。在管理上选择优质高抗品种,利用技术措施健壮植株,提高其抗病能力,修剪植株,增强园内的通风透光程度,条件允许的情况下可以利用避雨栽培、无滴消雾膜等控湿技术进行田园管理,降低葡萄霜霉病的发生率。同时利用生防菌剂与化学药剂进行混配用药或将不同的生防菌剂混合制成生防菌剂[82-83],不仅可以减少化学药剂残留、破坏生态环境等问题的发生,还有利于解决生防菌剂在植物病害防治中效果不稳及速效性差的问题,从而达到对病害较好的防治效果以及对环境、生态友好的目的,如阿泰灵+烯酰吗啉[84]、氟吗啉+亚磷酸钾+代森锰锌都对葡萄霜霉病有良好的防治效果。除了生物农药,利用有些生防菌剂与化学杀菌剂的结合施用,也可以研发出协同增效生化互作的组合,如HMB-20428+嘧菌酯[85]+硅氧烷化合物增效组合,寡雄腐霉+烯酰吗啉组合[86],枯草芽孢杆菌BAB-1+解淀粉芽孢杆菌SAB-1+大花旋覆花内酯乳油+化学杀菌剂交替或混合喷施[87],这些组合的混合施用都明显降低了霜霉病的发病率。同时一种新型广谱杀菌剂氨基寡糖素与化学药剂如亚磷酸盐[88]、苯甲·嘧菌酯[89]、双炔酰菌胺[90]等相混合,对葡萄霜霉病也有较好的防治效果。

5 展望

在防控葡萄霜霉病的过程中,从防到治的每一个阶段都有相对应的技术措施,且这些技术手段也起到了较好的效果,可以有效减少葡萄霜霉病的发生,但目前仍旧有一些问题需要解决:(1)虽然可以通过基因调控、靶标等增强抗性,但葡萄自身对霜霉病的抗性机理尚不清晰,有待进一步深入研究。(2)化学防治的防效快、效率高,在生产管理中仍是主要手段,但所带来的对环境、生态负面的影响也较大。(3)生物防治虽然对环境、生态友好,但由于时效性较差、受环境影响大、效果不稳定、成本较高等问题,很难大面积推广使用。(4)关于葡萄霜霉病绿色、生态、安全、高效的防控技术需要进一步完善。
因此针对上述的这些问题,可以从以下方面进行深入探究:(1)结合生理生化、分子基因等,深入研究关于葡萄抗霜霉病的综合作用机理。(2)研究更为低毒、低残留的化学杀菌剂。(3)研究更加稳定、更为持久的生防菌剂,且能够形成高效经济的商品剂型。(4)将生防菌剂与化学杀菌剂进行合理的、增效的联合施用。(5)包括田间管理和病害管理等的葡萄产业新型的管理模式的形成。在如上这些内容的基础上进行不断发展,可以进一步完善综合防控技术,最终形成一个针对葡萄霜霉病的综合、绿色、生态、合理、高效的防控体系,这有助于推动化学农药减施减量、生物源农药发展加速、农药产业绿色发展等国家产业规划的实施。

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为了明确枯草芽孢杆菌JL4在葡萄叶表面和内部的定殖情况,研究定殖与防治效果的关系,采用电击转化的方法将含有GFP基因的质粒pGFP78导入枯草芽孢杆菌JL4中,并得到成功表达GFP 的生防菌JL4-gfp,测试了标记菌株的稳定性及其对葡萄霜霉病菌的抑制作用.采用叶片喷雾法接种,用抗生素平板稀释分离回收,检测生防菌JL4-gfp在葡萄叶片的定殖情况,并将采回的叶片在室内接种葡萄霜霉菌孢子囊悬浮液进行生防测定.结果表明: 标记菌株在经过10次传代培养后,仍具有良好的发光表型,能稳定表达GFP蛋白,并且标记菌株JL4-gfp对葡萄霜霉菌保持了原有的抑菌作用;用抗生素平板稀释分离回收,检测到JL4-gfp菌株在葡萄叶片表面的定殖量在接种后的0、3和7 d分别为3.6×10<sup>5</sup>、2.7×10<sup>5</sup>和3.1×10<sup>3</sup> CFU·g<sup>-1</sup>;叶片内部的定殖在接种3 d后达到最大(9.6×10<sup>4</sup> CFU·g<sup>-1</sup>),然后下降,14 d后已经检测不到接种菌株;室内生防测定结果显示,喷雾后3 d对葡萄霜霉病的防治效果达88.0%以上,但7 d后则无明显防效.JL4-gfp的定殖量与其防治葡萄霜霉病的效果呈正相关,其有效定殖量临界值为10<sup>5 </sup>CFU·g<sup>-1</sup>.
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国家重点研发计划“主要经济作物重要新成灾病害绿色综合防控技术”(2019YFD1002000)
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