全 文 ：植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA摇 41(5): 502鄄508(2011)
收稿日期: 2010鄄08鄄30; 修回日期: 2011鄄05鄄27
基金项目: 新疆维吾尔自治区科技厅重大专项“高产优质抗逆类型棉花新品种选育冶 (No. 2007331鄄4); 新疆维吾尔自治区科技厅高新
技术“棉枯、黄萎病抗病子品种(系)创制冶(No. 200810101)
通讯作者: 曲延英,博士,教授,主要从事棉花分子育种研究; Tel:0991鄄8763821, Fax: 0991鄄8762263, E鄄mail: xjyyq5322@126. com
第一作者: 顾爱星(1973 - ),女,江苏启东县人,副教授,主要从事棉花抗病育种和微生物资源利用研究; E鄄mail: guai_xing@sina. com。
棉花组织结构与黄萎病抗性的关系
顾爱星, 张翠芳, 曲延英*, 郭庆元
(新疆农业大学农学院, 乌鲁木齐 830052)
摘要: 黄萎病严重危害棉花生产。 本试验以温室种植 31 个不同抗性的棉花品种为材料,通过对供试品种的组织结构研
究,使用根系扫描法和石蜡切片法,了解棉花对黄萎病的抗性机制。 结果如下:棉花根系的吸收根根长密度与相对病指呈
显著正相关,相关系数为 0. 923;抗病品种与耐病品种、感病品种的总长度、总投影面积、总表面积和吸收根根长密度差异显
著,但耐病品种与感病品种的这 4 个指标差异不显著。 抗病材料根、茎的组织中薄层细胞密度大于感病材料,耐病品种根、
茎的薄层细胞密度介于两者之间;抗病品种的根和茎的导管数最多,导管直径最小,其次是耐病品种,感病品种的根和茎中
导管数最少,但是导管直径最大。 棉花根系的吸收根根长密度,根和茎的薄层细胞密度,导管数可以作为对黄萎病抗性的
检测指标。
关键词: 棉花; 黄萎病; 组织结构; 抗性机制
Relationship of tissue structure and resistance to Verticillium wilt in cotton 摇
GU Ai鄄xing, ZHANG Cui鄄fang, QU Yan鄄ying, GUO Qing鄄yuan摇 (College of Agronomy, Xinjiang Agricultural
University, Urumqi 830052, China)
Abstract: Verticillium dahliae Kleb. harms seriously production of cotton. Thirty鄄one cotton cultivars with
different resistance were used in the greenhouse, aimed to analyse the resistance to Verticilium wilt in cotton.
Tissue structure was studied to realize the resistance mechanism of cotton to Verticilium wilt using the method
of root scanning and paraffin slice. The results showed that:the density of roots which absorbed water and nu鄄
trition had correlation with the disease index, r = 0. 923. There was significant difference in total root length,
total projective area, total surface area and absorbable root length density among the resistance, tolerance and
susceptible cultivars. But the difference between those of the tolerance and susceptible cultivars were not sig鄄
nificant. The density of xylem parenchyma cells and vessel numbers in root and stem of resistant cultivars were
the biggest, that of tolerant cultivars were the next and that of susceptible ones were the least, but the diameter
of vessels were contrary. The absorbable root length density, density of xylem parenchyma cells and vessel
numbers in root and stem can be used as measuring index of resistance to verticillium wilt in cotton.
Key words: cotton; verticillium wilt; tissue structure; resistant mechanism
中图分类号: S432. 23摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码: A摇 摇 摇 摇 摇 文章编号: 0412鄄0914(2011)05鄄0502鄄07
摇 摇 棉花(Gossypium hirsutum L. )是世界范围内
主要的经济作物。 被称为“棉花癌症冶的棉花黄萎
病(Verticillium dahliae Kleb. )严重危害和影响着
全球棉花的生产[1]。 1914 年,在美国弗吉尼亚州,
Carpenter首次在陆地棉上发现这一病害,此后,棉
花黄萎病在世界主要的棉花生产地区纷纷出现并
蔓延开来[2]。 1935 年,由于我国引进美国棉种鄄斯
字棉 4B,棉花黄萎病自此传入我国,并逐渐在我国
摇
摇 5 期 摇 顾爱星,等:棉花组织结构与黄萎病抗性的关系
的 478 个产棉县(市)蔓延。 1993 年,棉花黄萎病
在我国爆发成灾,1995、1996 年再次爆发,严重影
响了我国的棉花生产[3,4]。
棉花黄萎病一直是世界和我国植物病理学和
棉花抗病遗传育种领域研究的重点。 虽然许多国
内外学者已在棉花黄萎病菌的致病力分化、致病机
理、抗病机制、抗性鉴定、抗性遗传及分子标记等方
面进行了大量的研究,但仍难以满足棉花生产发展
的需求。 有关研究表明棉花不同抗性品种的根和
茎固有的组织结构与棉花对黄萎病的抗性紧密相
关[5]。
本试验旨在通过对棉花的抗黄萎病机制的研
究,进一步明确棉花抗黄萎病的机制,进一步优化
棉花抗性鉴定体系,为棉花抗黄萎病育种的理论、
方法和材料提供依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 试验材料
1. 1. 1摇 菌株摇 由新疆农业大学农学院微生物实验
室提供的生理 3 型致病力中等的非落叶型菌株
SHZ鄄134。
1. 1. 2 摇 供试棉花 摇 海岛棉 (Gossypium. barba鄄
dence)新海 14、新海 17、新海 20、新海 22、新海 30、
苏 K202 和军海 1 号共 7 个品种。 陆地棉(G. hisu鄄
tum)军棉 1 号、辽 18、新 GK鄄2、川 737、16鄄1、系 9、
大铃棉、新陆早 1 号、新陆早 7 号、新陆早 13 号、新
陆早 23 号、新陆早 33 号、新陆早 36 号、冀 668、中
42、602、B32、704、108鄄夫、硕丰 1 号、农大 05鄄2、
7KB、F2和新陆中 35 号共 31 个品种(系) (由新疆
农业大学农学院遗传育种实验室提供)。 其中,军
棉 1 号为本试验的感病对照品种。
1. 2摇 试验方法
1. 2. 1摇 田间病圃鉴定摇 棉花对黄萎病的抗性鉴定
在石河子市 134 团下野地试验站黄萎病自然病圃
中进行。 试验采取随机排列,每个棉花品种播种行
长 300 cm,间隔 30 cm,每个棉花品种 4 次重复。
播种后进行常规的田间管理,收获期进行剖秆调
查,记载发病等级[6]。
1. 2. 2摇 病情调查 摇 采用剖秆法调查棉花发病情
况,然后进行品种抗病性划分,发病级别划分标准
按 Sun等的方法[7]。
1. 2. 3摇 棉苗的种植和培育摇 挑选饱满的棉种进行
催芽处理,待种芽长度达到 1 cm 时播种[8]。 将催
芽后的棉花种子种植在装有灭菌土的无底塑料钵
中,每钵种植 6 粒种子,每个品种 10 钵,播种后将
营养钵置于托盘内,托盘中灌满清水,放置在人工
气候箱中培养,光照 12 h(温度为 27益),黑暗 12 h
(温度为 22益) [9]。 棉种出苗后,每 1 营养钵中留
棉苗 3 株。
1. 2. 4摇 采集棉苗组织材料摇 待棉苗第 2 片真叶展
平(叶片直径大于 3 cm)时采集材料。 将棉苗从塑
料钵中取出,剪下根系部分,先用水将根系表面的
泥土冲洗干净,用吸水纸吸干根系表面水分后使用
WinRHIZO Pro2009a根系分析系统扫描并计算根
系总长度、总表面积、总投影面积、吸收根(0 mm <
d1. 0 mm,d为根系直径)根长密度 4 个指标。
吸收根根长密度 =吸收根长度( cm) /土体体
积(cm3)。 本试验中土体体积为塑料钵体积。
1. 2. 5摇 石蜡切片摇 取生长一致的棉苗,截取地上
1 ~ 3 cm处茎部组织和地下 1 ~ 3 cm 处主根组织
作为石蜡切片的材料,迅速放在 FAA 固定液中进
行固定。 材料经过脱水鄄置换鄄浸蜡鄄包埋后,采用旋
转式石蜡切片机切片,染色采用番红鄄固绿法,将切
片放在双筒显微镜下观察,用测微尺测量导管直径
并计算单位面积薄层组织细胞数、导管数。
1. 3摇 数据处理 摇 采用 Excel 和 DPS 等软件进行
数据分析。
2摇 结果与分析
2. 1摇 棉花品种(系)对黄萎病抗性
采用田间自然病圃,测得 31 个棉花品种(系)
对黄萎病的抗性等级如下,见表 1。
抗病品种(系):军海 1 号、7KB、新海 14、新海
17、新 GK鄄2、新海 20、新海 22、B32、新海 30。
耐病品种(系):辽 18、704、川 737、新陆早 33
号、中 42、冀 668、新陆中 35 号。
感病品种(系):苏 K202、军棉 1 号、16鄄1、系
9、大铃棉、新陆早 1 号、新陆早 7 号、新陆早 13 号、
新陆早 23 号、新陆早 36 号、602、108鄄夫、硕丰 1
号、农大 05鄄2、F2。
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摇
植物病理学报 41 卷
Table 1摇 Cutting鄄stalk on identification of cotton varieties resistance to Verticillium wilt
Cultivar(strain)
Relative
disease index
Cultivar(strain)
Relative
disease index
Cultivar(strain)
Relative
disease index
Xinluzao23 44. 44S Liao18 25. 00T Xinluzao33 30. 56T
Junhai1 8. 33HR Xinluzao1 38. 89S Xinhai20 2. 78HR
Xinluzao13 36. 11S F2 36. 11S Xinhai22 11. 11R
7KB 19. 44R Nongda05鄄2 36. 11S B32 13. 89R
Dalingmian 41. 67S Xinhai17 8. 33HR 16鄄1 44. 83S
SuK202 38. 89S 108Fu 42. 78S Xinhai30 5. 56HR
Shuofeng1 44. 44S XinGK鄄2 19. 44R 602 44. 44S
Xinhai14 5. 56HR 704 22. 22T Zhong42 22. 22T
Junmian1 50. 00S Xinluzao36 41. 67S Ji668 25. 00T
Xi9 41. 67S Chuan737 27. 78T Xinluzhong35 25. 00T
Xinluzao7 38. 89S
HR: High resistant; R: Resistant; T: Tolerant; S: Susceptible.
2. 2摇 棉花品种抗病性与根系的关系
2. 2. 1摇 棉花品种抗病性与根系指标的相关性分析
摇 由图 1 可以看出,不同的棉花品种在相同生育期
和生长一致的情况下,根系的发达程度不同。 感病
品种的根系明显比抗病品种的发达。
Fig. 1摇 Comparison of the roots of different resistant cultivars to verticillium wilt of cotton
A:Dalingmian; B:Junmian1; C:Xinluzao36; D:Xinhai14; E:Xinhai20; F:Liao18;
S:Susceptible cultivar; R:Resistant cultivar; T:Tolerant cultivar.
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摇 5 期 摇 顾爱星,等:棉花组织结构与黄萎病抗性的关系
摇 摇 通过对抗病品种和感病品种棉苗根系的总长
度、总投影积、总表面积和吸收根根长密度这 4 个
根系指标与相对病指进行相关性分析,如表 2 所
示,相对病指与吸收根根长密度呈显著正相关,相
关系数为 0. 923,即吸收根根长密度越大,相对病
指越高;而相对病指与根系的总长度、总投影面积
和总表面积无显著相关性。
2. 2. 2摇 棉花不同抗性级别品种的根系比较摇 将棉
花抗病品种、耐病品种、感病品种和高感病品种的
根系总长度、总投影面积、总表面积、吸收根根长密
度的平均值进行比较分析。 抗病品种与感病品种、
高感品种的总长度、总投影面积、总表面积和吸收
根根长密度差异显著,耐病品种与高感病品种的这
4 个指标也存在显著差异,但耐病品种与感病品种
的这 4 个指标差异不显著(表 3)。
2. 3摇 棉花抗黄萎病性与组织结构的关系
2. 3. 1摇 棉花不同抗性品种组织结构的比较摇 通过
对供试棉花的根、茎的石蜡切片观察(表 4),抗病
品种的根、茎薄层组织细胞密度比感病品种高,耐
病品种根、茎薄层组织细胞密度介于两者之间,说
明在抗病的棉花品种根、茎的薄层组织细胞排列非
常紧密。 抗病品种根、茎的导管数最多,其次是耐
病品种,感病品种最少。 而感病品种的根、茎组织
中导管的直径是最大的,耐病品种导管直径略大于
抗病品种。
Table 2摇 Analysis on relativity of disease index and cotton roots
Root system index Relative disease index
Total length - 0. 897 依0. 039 0. 047 依0. 007 0. 004 依0. 001
Total project area / cm2 0. 213 依0. 005 0. 394 依0. 017 0. 004 依0. 001
Total surface area / cm2 -0. 868 依0. 040 0. 066 依0. 002 0. 004 依0. 001
Absorbable root length density / cm·cm -3 0. 923* 依0. 013 0. 039 依0. 002 0. 004 依0. 001
*:Significant difference; **:Extremely significant difference.
Table 3摇 Comparison of the roots of differently resistant varieties to verticillium wilt of cotton
Resistance
level
Relative disease
index
Total length
/ cm
Total projective
area / cm2
Total surface
area / cm2
Absorbable root length
density / cm·cm -3
Resistant 15. 97a 依1. 931 193. 39a 依14. 51 14. 85a 依2. 03 16. 00a 依3. 73 2. 44a 依0. 02
Tolerant 25. 46b 依3. 11 178. 51b 依27. 33 12. 46b 依1. 56 15. 07b 依2. 17 3. 04b 依0. 17
Susceptible 38. 19c 依2. 67 177. 95b 依25. 10 12. 07b 依3. 75 14. 90b 依3. 31 3. 11b 依0. 12
Different letters in the same column indicates significant difference (P <0. 05) .
Table 4摇 Comparison on tissue structure of different cultivars
Observed item Resistant cultivar Tolerant cultivar Susceptible cultivar
Vessel number Root 46. 31 依5. 66 43. 71 依6. 67 36. 65 依6. 12
Stream 56. 71 依7. 31 50. 50 依7. 50 40. 15 依3. 17
vessel diameter / 滋m Root 13. 75 依2. 10 16. 49 依2. 00 21. 34 依4. 33
Stream 15. 20 依1. 37 17. 28 依2. 12 21. 66 依2. 09
density of xylem Root 185. 70 依8. 73 131. 30 依14. 01 93. 42 依7. 80
parenchyma cell / cell / 滋m2 Stream 218. 00 依2. 30 198. 30 依10. 11 121. 40 依3. 57
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摇 摇 随着感病程度的增加,根、茎的导管数和薄层
细胞密度均呈下降趋势,而导管直径呈上升趋势。
2. 3. 2摇 陆地棉和海岛棉不同抗性品种的组织结构
切片摇 切片观察均是在目镜 10 伊 / 18,物镜 4 伊 /
0郾 10 的显微镜下进行的。 陆地棉不同抗性品种
根、茎组织结构如图 2 所示。
海岛棉不同抗性品种根、茎组织结构如图 3
所示。
摇 摇 抗黄萎病陆地棉和海岛棉品种的根、茎中薄层
细胞密度高于耐病品种和感病品种。 在不同抗性
的陆地棉、海岛棉品种中,抗病品种根、茎的导管数
量最多,而导管直径最小,感病品种则相反。
3摇 讨论
棉花黄萎病菌可以从棉花根部的根毛区侵入。
当采用孢子悬浮液接种棉花幼苗时,与根部表面接
触的大多数孢子在 24 h 内萌发,这些孢子聚集在
根毛区并形成芽管,其中一部分芽管会侵入到根毛
内。 如果芽管从根毛基部细胞侵入,它将沿着根毛
向其顶端生长。 从根毛区侵染的黄萎病菌有时能
侵入到皮层细胞[10]。 从棉花根系与品种抗性的相
关性分析中可以看出,棉花吸收根系的根长密度与
棉花的抗黄萎病性相关性显著,即吸收根根长密度
越大,棉花的抗病性越差。 因为接种数量相同的黄
萎病菌的孢子悬浮液时,吸收根根长密度越大,病
菌能够侵入的位点就越多,病菌孢子在接触位点的
萌发芽管侵入棉株根部的数量就越多,因此在寄
主鄄病原菌的识别阶段,感病品种比抗病品种更容
易感染病原菌。
Fig. 2摇 Slices of resistant varieties and susceptible varieties of Gossypium hirsutum
A:Stem of Junmian1; B:Root of Junmian1; C:Stem of Xinluzao7; D:Root of Xinluzao 7; E:Stem of Liao18;
F: Root of Liao18; 垡: Xylem parenchyma cell; 壅:Vessel; T:Tolerant; S:Susceptible.
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摇
摇 5 期 摇 顾爱星,等:棉花组织结构与黄萎病抗性的关系
Fig. 3摇 Slices of resistant varieties and susceptible cultivars of Gossypium barbadense
A:Stem of SuK202; B:Root of SuK202; C:Stem of Xinhai14; D:Root of Xinhai14; E:Stem of Xinhai22;
F: Root of Xinhai22; 垡: Xylem parenchyma cell; 壅: Vessel; R:Resistant; S:Susceptible.
摇 摇 通过对不同抗性级别的棉花根系比较,抗病品
种与感病品种、高感品种之间,耐病品种与高感品
种之间吸收根根长密度的差异显著,但是耐病品种
与感病品种的吸收根根长密度差异不显著,这可以
在一定程度上解释温室抗性鉴定中采用伤根的方
法接菌时,有些耐病品种被鉴定成感病品种。 因
此,采用伤根接种,一定要注意伤根均匀一致。 同
时,因为现行的几种棉花品种抗性鉴定方法,无论
是温室鉴定还是田间鉴定都存在着鉴定周期偏长,
接种技术和控制发病等条件要求精准、严格,所以
可以在早期的苗期鉴定中通过检测不同棉苗品种
根系的根长密度对待鉴定的棉花品种进行初步筛
选,从而简化鉴定操作,减少工作量。
通过石蜡切片观察不同抗性棉花品种的组织
结构,与前人的研究结果一致[11]。 抗黄萎病棉花
品种的根、茎的薄层细胞密度高于耐病品种和感病
品种,说明细胞排列越紧密,菌丝在细胞间隙的生
长速度就越慢。 在不同抗性的棉花品种中,抗病品
种根、茎的导管数量最多,而导管直径最小,感病品
种则相反,因为较狭窄的导管不利于菌丝过度横向
繁殖和扩展,导管数量的增多也可以限制菌丝横向
侵染。 由于薄层细胞密度、导管数和导管直径与棉
花的抗黄萎病性紧密相关,所以,可以将与这 3 个
指标相关的碱基序列设计引物应用到棉花抗黄萎
病的分子标记中。
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责任编辑:曾晓葳
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