疥痂病：全球农作物的梦魇

【美国《农业研究》月刊文章】题：防范植物病害的流行（作者　本·哈丁）
好奇心往往会驱使一些人去研究他们的家谱。但是对于美国农业研究所微生物学家凯丽·奥唐奈和分子基因学家科尔比·基斯科勒来说，改变植物病原菌的系谱并不是出于好奇心。
伊利诺伊州皮奥里亚的奥唐奈和明尼苏达州圣保罗的基斯科勒，以及位于法戈的北达科他州立大学的同行们正在进行的科学研究，可能有助于防止谷物受到威胁食品安全和植物健康的毒素的污染。
基斯科勒和奥唐奈都是从事镰刀菌研究的科学家。这种真菌由于能导致一种名叫疥痂病的植物疾病而臭名昭著。疥痂病又称镰刀菌头部凋萎病，危害小麦、大麦以及玉米的穗和茎。奥唐奈等人的目标之一是开发一种能确定哪种病菌导致疥痂病的技术。他们还希望确定每种病菌的受体范围、地理分布和产生真菌毒素的潜力。这些都是全世界农民和农业疾病控制专家急需的信息，因为他们都想找到一种有效的办法把疥痂病的威胁降低到最小程度。
一种疾病，八种原因
皮奥里亚全国农业利用研究中心的奥唐奈和分子基因学家托德·沃德正使用脱氧核糖核酸（DNA）证据检测世界各地感染镰刀菌病原菌的植物宿主的遗传多样性。
科学家们以前认为世界各地的疥痂病都是由一种病原菌引起的。但是新的证据表明情况并非如此。奥唐奈说："让我们吃惊也让我们失望的是，我们迄今获得的DNA数据显示至少有8种遗传特征不同的疥痂病病原菌，都称作禾本科镰刀菌。我们根据从6种不同的基因中提取的系谱证据，意识到它们属于不同的种类。"
圣保罗农业研究所谷物疾病实验室的基斯科勒发现，在温室实验中，8种病原菌全都能使小麦患上毁灭性的疥痂病，其中有6种病原菌能使玉米染病。
北达科他州立大学兽医和微生物学系从事真菌毒素研究的化学家霍华德·卡斯珀和贝特·塔克发现，所有8种能导致疥痂病的镰刀菌在植物受体上都会产生类似的毒素。他们还发现，无法通过疥痂病产生的毒素来区分疥痂病的种类。
全球意义
目前种植的多数小麦和大麦品种都很容易染上疥痂病。由这种疾病造成的减产和价格损失使美国的麦农在90年代损失了26亿美元。基斯科勒指出，加上近来在亚洲、加拿大、欧洲和南美洲造成的损失，疥痂病显然已成为一个世界范围的问题：10年来，它已经成为全世界最主要的植物病害之一。
一旦小麦感染了疥痂病，通常的表现是退色和枯萎。这种小麦不能用作食物和禽畜的饲料，因为小麦可能已经被单端孢霉烯及其他化学物质污染了，这些化学物质会刺激动物分泌过多的雌激素。人如果接触这些毒素，也会出现急性皮炎、腹泻和出血等多种症状。
奥唐奈和基斯科勒利用分子遗传技术收集的DNA数据显示，在8种禾本科镰刀菌中，只有一种镰刀菌是造成美国近来疥痂病爆发和流行的罪魁祸首。
根据这些镰刀菌DNA排序数据的相同之处和不同之处，奥唐奈已经推断出这些镰刀菌的进化史，并在一幅称为种系发生谱的系谱图上描述了它们之间的相互关系。沃德最近加入了奥唐奈的实验室研究，以便了解疥痂病的病原菌是如何形成致病能力的。从实际应用的角度来说，他是想利用分子遗传数据更容易地确定各种镰刀菌致病性的关键基因。另一个目标是利用镰刀菌在全球的分布信息来深入了解它们致使彼此关系甚远的重要经济作物患病的能力。
博士后遗传学家利亚纳·罗塞维希已在基斯科勒的实验室开始研究新病原菌的可能出现和扩散——这一研究领域称为种群遗传学。通过观察从美国中西部地区收集的导致疥痂病的真菌的DNA形式，科学家可以确定农田里存在一种或几种遗传特征不同的病原菌，以及这些病原菌是否发生了杂交现象。
然后利用全球定位系统的卫星标出这些样本采集地的确切位置，研究人员能够监测不同季节病原菌的传播情况，以此来预测疥痂病的流行情况。但研究人员的目标不仅仅是预测，他们想找到一些方法，能最有效地改变农民的耕作方式，以使现在植物和真菌之间的相互作用变得更有利于植物的健康
DNA数据库
直到现在，世界各地的多数科学家仍不得不采用肉眼观察的方法来分辨镰刀菌病原菌。但是作为北达科他州立大学农业研究所细菌培养收集中心镰刀菌项目的负责人，奥唐奈和她的同事沃德及技术员艾琳·沙利文正在给所有能产生毒素的、导致疥痂病的镰刀菌建立一个完整的DNA数据库。
5年来，农业研究所培养中心的研究人员通过把每种病原菌的DNA片断与收集来的3000多种病原菌DNA片断进行比较，已经发现了100多种新的镰刀菌，包括正在圣保罗和法戈进行研究的那8种镰刀菌。农业研究所细菌培养收集中心已收集了世界上最完整、遗传特征最丰富的镰刀菌种类。
在研究镰刀菌分子标志的同时，奥唐奈发现的一些线索表明疥痂病的威胁可能潜伏在人们认为不太可能的一些地方。
杂交和进化带来的新威胁
奥唐奈和基斯科勒在检测一些从尼泊尔腐烂的玉米中提取的细菌时有了个令人不安的发现：一种细菌DNA显示它是两种被认为是在地理上互相隔绝的禾本科镰刀菌系统的混合物——一种来自非洲，一种来自亚洲。
奥唐奈说："我们推测非洲的镰刀菌是随着非洲近年来出口的腐烂玉米进入亚洲的。"
这一发现生动地描述了植物及植物产品方面的国际园艺和农业贸易能使本来相隔遥远的但彼此关系很近的真菌种类聚集到一起。
以前相隔遥远的真菌是否会互相杂交而产生某种严重的植物疾病呢？奥唐奈说，两种真菌的自然杂交——也叫种间杂交——可能罕见，但如果一种真菌被引入一个与它关系很近的真菌生存的环境，这种杂交就很有可能发生。
奥唐奈说，一个主要教训是：负责制定免疫规则、预防和控制植物疾病、农作物培育的科学家和政府官员需要认识到镰刀菌的遗传多样性和在全球分布的广泛性。比如说，如果想使作物培育计划真正有效，培育人员必须考虑到全部8种镰刀菌的影响。
沃德、奥唐奈和沙利文最近已经研制成一种DNA分析程序，它能迅速而准确地将8种禾本科镰刀菌一一区分开来。根据这些数据，他们能合理地推断病原菌的地理来源。由于知道哪些地区的哪些农作物最有可能携带这些病原菌，检疫人员就能更好地预防疥痂病在美国出现新的流行。
在8种疥痂病病原菌中，3种病菌看上去源于非洲，两种来自中南美洲，一种来自新西兰，一种来自亚洲。奥唐奈说："其他病原菌——就像普通的感冒病菌一样，分布很广，尽管在北半球最常见。"