茭白（Zizania latifolia）又名菰，为禾木科菰属多年生宿根草本植物，其肉质鲜嫩、营养丰富且含多种药用成分，广泛栽培于长江流域及以南地区，现已成为我国第二大水生蔬菜。
菰黑粉菌（Ustilago eseulenta）属于黑粉菌纲黑粉菌科，与玉米瘤黑粉菌（U maydis）近缘，是典型的二型态真菌。目前研究发现，菰黑粉菌为茭白植株的内生真菌，其成功侵染与茭白孕茭密切相关。当菰黑粉菌成功侵染茭白植株后，茭白抽穗开花受到抑制，茎部组织开始膨大形成肥大的肉质茎，其中肉质白嫩可食用的称为正常茭白：而肉质茎内布满褐色孢子的则为灰茭，误食容易引起肺炎[2]。研究发现，正常茭白和灰茭中的菰黑粉菌存在较大的形态差异，正常茭白中的菰黑粉菌多以菌丝型（MT型）存在，茭肉呈白色；而灰茭中的菰黑粉菌在茭白膨大初期即形成大量冬孢子（T型），使茭肉呈褐色。因此，深入研究菰黑粉菌，对阐明茭白孕茭机理与茭白的田间栽培育种工作具有重要意义。综合了近年来有关菰黑粉菌的研究报道，综述了菰黑粉菌病原物鉴定及生物学特性、菰黑粉菌与茭白植株互作研究，以及菰黑粉菌的基因研究等方面的进展，并对未来的研究方向进行了展望。
1 菰黑粉菌的病原物及生物学特性
1.1 菰黑粉菌病原物的形态
1895年，Hennings目先将菰黑粉菌命名为U esculenta P． Henn．，此后刘慎谔根据前人对冬孢子萌发的研究结果，将菰黑粉菌命名为Yenia eseulenta (P．Henn．)Liou，但程岩等[5]研究发现，菰黑粉菌孢子萌发产生的先菌丝是有隔膜的，因而认为F escu- lenta (P．Henn．)Liou的名字无效。
由于菰黑粉菌在茭白孕茭的过程中起重要作用，近年来关于其形态学及生理变化条件等的研究越来越多。菰黑粉菌的厚垣孢子为圆形，少数为椭圆形，在适宜条件下，孢子以芽殖方式萌发长出先菌丝，随后先菌丝变长，中间开始膨大变粗，且分隔，在侧面分隔线处长出担孢子，其成熟后脱落，呈短杆状，继续培养，菌液中出现比担孢子长几倍的菌丝_。中国计量学院牛物计量及检验检疫技术重点实验室（以下简称本实验室）建立了稳定的菰黑粉菌分离培养鉴定方法，即分别采用PDA、YEPS培养基对灰茭中的菰黑粉菌进行冬孢子分离培养，对正常茭白中的菰黑粉菌进行切片或研磨分离培养，并通过形态学及分子生物学手段进行鉴定，结果表明，在固体培养基上，不同表型茭白中分离得到的菰黑粉菌菌落形态基本一致，呈不规则形、中间隆起或有脊状突起，初为淡黄色，待培养到一定阶段菌落边缘长出白色菌丝。在液体培养基中，MT型菰黑粉菌多形成致密的菌丝球，T型菰黑粉菌则多以酵母形态存在。另外二者在ITS区和蛋白水平上均存在一定的差异。韩秀芹等对菰黑粉菌的不同培养形态进行观察，结果发现，其能在PSA培养基上完成生活史，即厚垣孢子萌发形成菌丝体后又重新形成厚垣孢子，但未有在PDA培养基上完成生活史的报道，这可能与菰黑粉菌对培养基有较大选择性有关。
1.2 菰黑粉菌的环境适应性
外界条件对菰黑粉菌的生长影响很大。郭得平等研究发现，T型菰黑粉菌冬孢子萌发的适宜温度为25-28℃，最适pH值为6.0，这与程岩等的研究结果一致，而菌丝的最佳生长温度为28℃，最适pH值亦为6.0。研究发现，T型菰黑粉菌对碳源的选择性不强，但在以蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖为碳源的培养基中菌丝生长较好：对不同氮源的利用差别较大，其中蛋白胨、天冬酰胺利于其菌丝生长，但是在以酵母膏和精氨酸为氮源的培养基中菌丝生长明显受到抑制。同时，T型菰黑粉菌在多种碳、氮源培养基中均能发生形态变化，而MT型菰黑粉菌仅在以蔗糖、麦芽糖为唯一碳源的培养基中才能发生形态变化，表明体外培养时T型菰黑粉菌对环境适应性较强。另外，茭白品种间菰黑粉菌的生物学特性略有差异，但其适宜生长温度与肉质茎膨大的适宜温度基本吻合。
2菰黑粉菌与茭白植株的互作
2.1 菰黑粉菌在茭白植株中的分布及形态变化
早期组织切片观察已发现正常茭白膨大的肉质茎内存在大量的菰黑粉菌，此外茭白地下茎、叶鞘、嫩芽等部位也有分布。研究表明，菰黑粉菌一般分布在茭白分蘖苗顶端细胞质丰富、生理活动较为旺盛的部位，在液泡化程度较高的组织中几乎消失。Zhang等通过进一步显微观察，描绘了菰黑粉菌的侵染过程：首先，在9月前或翌年3月后茭白植株内的菰黑粉菌菌丝通过维管间组织、薄壁组织或维管束侵染地下茎萌发的嫩芽，之后顺着细胞间隙或穿透细胞进行生长，其中部分胞间生长的菌丝长出大量短的分支，形成聚合菌丝(Hyphal aggregations)，这可能是孢子的形成位点；部分胞间菌丝形成很多卷曲的侧枝，构成菌丝簇，该种菌丝只能在茭白植株细胞中延伸较短的距离。
此外，研究发现，灰茭中的菰黑粉菌潜育期短，在茎膨大过程中即有大量冬孢子聚集形成冬孢子堆：而正常茭白中的菰黑粉菌多以菌丝形态存在，只在茎部膨大后期才有少量冬孢子形成。通过观察寄生于茭白中的2种菰黑粉菌的超微结构发现，在菌丝细胞与寄主细胞表面凹陷处有1个包含内、外2层基质的隔膜，其中正常茭白组织细胞的外层基质更厚，灰茭组织细胞的内层基质更透明。在冬孢子壁形成过程中，正常茭白中的保护隔膜更加明显：MT型冬孢子内的脂质球很少，而T型冬孢子中的脂质球在孢子外壁开始形成后便可观察到。另外，研究显示隔膜内层即靠近菌丝的为电子密集层，外层即靠近组织细胞的为绝缘层。比较发现，电子密集层在嫩芽和成熟茎中的分布较肉质茎中更明显，表明此时菌丝入侵活动剧烈。
2.2菰黑粉菌侵染对茭白植株的影响
研究表明，菰黑粉菌的侵入致使植株薄壁细胞分裂加快，维管束极度简化，生长锥膨大伸长，形成肥大肉质茎。该过程中茭白的内源激素含量、营养吸收供应、糖代谢酶及保护酶活性等均发生明显变化。
有学者认为，茭白孕茭是菰黑粉菌分泌吲哚乙酸等激素影响茭白茎部细胞分裂增强和细胞增大的结果。前期，江解增等对茭白发育过程中各部位内源激素含量变化进行研究发现，茭白植株生育过程中各部位的激素以玉米素及玉米素核苷(Z+ZR)的含量最高，生长素(IAA)其次，赤霉素(GA3)和脱落酸(ABA)含量很低，不同茭白品种中不同部位激素含量及其变化具有一定的差异性，尤其是肉质茎膨大阶段差异比较明显。总的来说，除GA3外，其余激素含量在肉质茎膨大前即开始上升，其中Z+ZR含量在肉质茎膨大开始后显著下降：IAA含量在肉质茎膨大后期至末期才出现下降；ABA含量则无明显变化。另外，肉质茎的干质量增加也与其Z+ZR含量下降密切相关，因此认为 Z+ZR可能是刺激肉质茎膨大的关键激素。后期本实验室检测了离体培养的菰黑粉菌和肉质茎形成过程中茭白不同地上部位间激素含量的变化，结果表明，菰黑粉菌合成的内源激素可能是茭白肉质茎形成的重要影响因素。但是作用于茭白膨大过程中的激素是由于植株自发形成或是受到菰黑粉菌诱导、亦或由菰黑粉菌分泌还有待进一步研究确认。
此外，江解增等还对茭白肉质茎膨大前后库源关系进行了深入研究，认为茭白植株在开始孕茭前植株生长及分蘖旺盛，为此时营养物质供应的主要对象：另外研究发现，此过程中短缩茎的相对生长量大于叶片的相对生长量，故认为茭白植株中营养物质供应的“中间库”是短缩茎：进入膨大期后，植物生长中心开始转移，肉质茎成为此时营养物质供应的“最终库”。邱届娟等对茭白植株和肉质茎中N、P、K含量分析表明，茭白孕茭过程中肉质茎中N、P、K含量均显著增加，而叶片和短缩茎中的N、P、K含量不同程度下降，同时肉质茎中P、K吸收比例明显高于同期的植株，特别是P高出1倍左右，因此茭白孕茭对营养的需求很大，特别是P元素，缺P对植株孕茭影响很大。
程龙军等进一步对茭白肉质茎膨大期间主要营养物质变化进行跟踪研究，结果显示，木质素和纤维素在肉质茎发育的早期含量较高，随着茎的发育，其含量持续下降，发育后期二者的含量又明显上升，这可能与茭白肉质茎的个体发育进程有关。而蛋白质含量以可溶性蛋白为主，总蛋白含量表现为前期上升，达到峰值后又开始下降，表明肉质茎发育期间组织代谢旺盛，蛋白质作为营养物质被贮藏的同时也要消耗大量的活性蛋白。另外研究还发现，总糖和还原糖在肉质茎发育的早期迅速上升，之后有所下降：淀粉含量在肉质茎发育过程中一直上升：而蔗糖含量则呈现先上升后稳定的趋势。糖类物质在茭白茎发育的前期保持增长，表明肉质茎发育中大量糖类同化物质被调入。江解增等对糖分转化酶活性进行比较研究发现，在茭白膨大过程中肉质茎内的酸性转化酶活性较高，说明蔗糖进入肉质茎后，很快被转化，用于细胞分裂、膨大和器官建成；中性转化酶活性较低，说明细胞内部的蔗糖转化、积累速率较低。由于蔗糖合成酶具有双向催化能力，研究显示，肉质茎中的蔗糖合成酶表现为分解方向一直维持较高活性，而合成方向活性较低且以较快速率下降，说明蔗糖主要靠其他器官合成并运输至肉质茎中，当糖分以蔗糖形式运输到肉质茎后以较高的速率被再次分解，转化为其他物质。
菰黑粉菌作为茭白植株的内生真菌，需要从植株中获取养分，其选择性地在膨大茎中增殖，使得植株对营养元素的吸收以及营养供应发生改变。同时，也有学者将茭白肉质茎的膨大过程看作是菰黑粉菌对茭白植株茎尖的致病过程，该过程中植物为抵抗病原菌的入侵会产生大量活性氧，对菌产生氧化胁迫。该推断与前期研究结果一致，即在茭白孕茭过程中，茭白组织内过氧化氢(H202)、丙二醛(MDA)含量大幅度上升，抗坏血酸含量下降，氧化型抗坏血酸的比例上升，而过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)及超氧化物歧化酶(SOD)等常见保护酶活性均呈下降趋势，尤其是CAT、PAL、SOD活性下降幅度相当大，且肉质茎内CAT活性始终显著高于雄茭茎尖，表明肉质茎膨大期间活性氧水平偏高。
2.3 外界条件对菰黑粉菌与茭白植株互作的影响 外界条件对菰黑粉菌与茭白植株的互作影响较大，调控菰黑粉菌或植株的生长均可以调节茭白孕茭。苄晓东通过研究1，2，4一三氯苯(TCB)和萘(NAP)胁迫对茭白生长发育的影响发现，随着 TCB、NAP胁迫浓度的增大，茭白植株的形态、生理等指标均下降，且TCB的抑制程度更大，此外对2种有毒物质的耐性存在种间差异。房艳研究发现，田间提前喷施适宜浓度的2一甲-4-氯钠水剂，可使茭白提前采收约4d，明显增加前期产量。应荣等研究杀菌剂敌磺钠及植物生长调节剂对茭白孕茭影响发现，喷施一定浓度的敌磺钠可明显提高茭白产量：不同植物生长调节剂组合对茭白孕茭具有促进作用，表明茭白茎部菰黑粉菌的生长调节和植物内源激素含量变化与孕茭密切相关。
3菰黑粉菌的基因研究
3.1 菰黑粉菌细胞壁降解修饰基因的功能研究
Nakajima等[33]发现，菰黑粉菌可分泌一种降解昆布多糖的酶，该酶与玉米瘤黑粉菌中GH3 B一葡萄糖苷酶具有较高同源性，由基因Uebgl3A编码，具有降解宿主细胞细胞壁的功能，将UeBgl3A重组到米曲霉(Aspergillus myzae)内发现，重组子可降解p一1，3一、p一1，4一、p一1，6一寡聚糖，1，3-1，4一 B一葡聚糖及昆布多糖，产生葡萄糖，进一步确认 UeBgI3A是一种p一葡糖苷酶。动力学分析发现， UeBgI3A优先水解昆布三糖和昆布四糖。随后 Nakajima等[34]从菰黑粉菌的培养液中发现另一种能降解昆布多糖的糖苷水解酶Laml6A，其拥有1个包含N一末端信号肽及C一末端GPI锚定信号肽的GH16催化结构域。将Lain 16A在米曲霉中过表达，结果发现，其能水解[3-1,3-葡聚糖，且在胞外、膜结构上均有定位，而过表达缺失GPI锚定信号肽的Laml6A只能在胞外结构中检测到，故认为Lain 16A锚定到质膜可修饰菰黑粉菌细胞壁中的 p一1，3一葡聚糖，同时分泌到细胞外可分解13-1，3一葡聚糖，推测在肉质茎形成过程中．Lain 16A既可修饰菰黑粉菌的细胞壁，又作用于宿主细胞壁中 B一1，3一葡聚糖的降解。
3.2菰黑粉菌二型态转换相关基因的功能研究
研究发现，真菌的二型态转换与其致病性密切相关，因此菰黑粉菌二型态转换相关基因的研究对阐明茭白的孕茭机制具有重要意义。本实验室对菰黑粉菌二型态转换相关基因开展了大量研究。刘俊平己成功克隆菰黑粉菌乙醛酸循环中的关键基因UelCL（异柠檬酸裂合酶基因）和UeMCP（线粒体氧化戊二酸载体蛋白基因），表达模式分析表明，在分别以麦芽糖、蔗糖、葡萄糖为唯一碳源的不同培养基中，菰黑粉菌中UelCL、UeMCP的表达量均高于常规的PDA培养，且在麦芽糖培养基中表达量最高，结合型态变化，推测这可能与菰黑粉菌生长过程中的营养需求和代谢调控相关，而UelCL和UeMCP基因可能参与菰黑粉菌的型态变化调控。胡鹏等[37]研究表明，Rbfl因子的表达与菰黑粉菌的菌丝生长关联较大，在菌丝形成初期，T型和MT型菰黑粉菌中Rbfl基因的表达水平均较低：菌丝形成后，Rbfl基因的表达量均显著升高，随后逐渐下降，推测Rbfl基因与玉米瘤黑粉菌类似，参与反馈调节信息素的表达。余佳佳等研究发现T型和MT型菰黑粉菌中Ueubc2基因的表达量均呈现先上升后下降的趋势，且在菌落周围开始生长菌丝时达到最大值，故此认为Ueubc2基因可能与菰黑粉菌菌株的融合和菌丝生长有关。
3.3 菰黑粉菌遗传转化体系的研究
此外，本实验室建立了基于原生质体转化的菰黑粉菌遗传转化体系，从酶的种类、浓度、酶解时间及温度等方面优化了菰黑粉菌原生质体的制备条件，从稳渗剂等条件优化了原生质体再生体系，同时筛选了潮霉素和萎锈灵作为菰黑粉菌转化子的抗性筛选标记，并成功实现了UelCL基因敲除以及 EGFP绿色荧光蛋白的过表达，为进一步进行菰黑粉菌的基因功能研究提供了技术支持，为接下来开展菰黑粉菌与茭白互作机制的研究提供了保障。
4展望
4.1 菰黑粉菌种群多样性研究
研究人员对不同品种茭白中的菰黑粉菌进行分离后发现，多个菌株在培养方式、适宜温度、菌株萌发率、菌落形态特征等方面存在差异，认为菰黑粉菌可能存在不同的生理小种。但是目前对于菰黑粉菌的种群多样性研究还仅仅围绕病原菌的生物学特性开展，对于菰黑粉菌是否存在种群多样性或致病性分化的生理小种、种群分化与茭白品种之间是否存在相关性都需要进一步的验证。另外，茭白是己知的菰黑粉菌的唯一寄主，该菌是否具有寄主专化性或还有其他可能的寄主，该菌与其近源的玉米黑粉菌、大麦坚黑穗病菌（U horde）等是否存在种群交叠或进化关系等方面的研究还是空白。因此，接下来可以从分子生物学角度深入开展菰黑粉菌的种群多样性研究。
4.2菰黑粉菌与茭白植株互作机理研究及相关基因挖掘
茭白孕茭形成膨大茎的原因，有人认为是菰黑粉菌分泌激素刺激植株茎部细胞分裂活动加剧，还有人认为是菰黑粉菌对茭白植株茎尖致病过程中两者互作的结果2种观点均表明菰黑粉菌的存在与茭白的形成密不可分，但目前尚缺乏系统研究，即从菰黑粉菌与茭白植株协同进化所形成的生理、生态和分子机理来充分研究其互作机制。本实验室从菰黑粉菌二型态转换角度出发，己通过基因组测序分析克隆得到大量菰黑粉菌参与二型态转换的基因。随着菰黑粉菌遗传转化体系的建立以及菰黑粉菌体外侵染体系的建立，一方面可以深入对已经得到的基因功能进行深入分析，另一方面可从菰黑粉菌角度出发，结合分子生物学手段及组织细胞学技术，对菰黑粉菌与茭白植株互作机理进行深入研究，通过转录组数据分析、互作蛋白筛选等技术挖掘更多参与互作的相关基因。
4.3 品种选育
茭白种植及保种育种如今还是采用茭墩分离筛选的方式，人力、物力投入较大，且菰黑粉菌可能存在种群多样性或生理小种分化，其可能混合存在于茭白植株中，造成茭白品种性状不稳定，退化明显。因此，除了采用传统的田间优良性状选育方式，还可采用分子生物学手段检测茭白植株中菰黑粉菌的种群来保障茭白品种性状的稳定性，通过建立标准的菰黑粉菌侵染体系，以人工接种方式进行茭白育种是未来品种选育方式中新的发展方向。