全 文 :园 艺 学 报 2012,39(12):2515–2522 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期:2012–07–16;修回日期:2012–10–08
基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201003065);农业部园艺作物遗传改良重点开放实验室项目;国家大宗蔬菜产业技术体系
项目(CARS-25-B-01)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:xieby@mail.caas.net.cn)
番茄试管苗抗 TYLCV 鉴定技术研究
冯兰香,宗园园,白 描,龚慧芝,杨宇红,谢丙炎*
(中国农业科学院蔬菜花卉研究所,北京 100081)
摘 要:为了开发番茄对番茄黄化曲叶病毒(Tomato yellow leaf curl virus,TYLCV)抗病性鉴定的
新技术,设计了在番茄试管苗中接种 TYLCV 的试验。将对 TYLCV 感病的品种‘Moneymaker’、‘中蔬 6
号’、‘丽春’和抗病品系‘AVRDC CLN 2123 A’在试管中进行组织培养,21 ~ 25 d 后切取长 2.0 ~ 2.5 cm
的嫩枝,将嫩枝基部在含 TYLCV-[CN:SH2]侵染性克隆质粒的农杆菌 EHA 105 菌株的悬浮液(OD600 0.5)
中浸润 1 min 接种。14 d 后,感病品种试管苗开始出现 TYLCV 症状并且愈来愈重,28 d 后 TYLCV 症状
十分典型,56 d 后症状极其严重:叶片窄小、黄化、极度卷曲,植株严重矮化,停止生长或死亡;而同样
接种的抗病品系试管苗却无一发病。接种的番茄试管苗经 PCR 检测显示,从感病品种试管苗中均能扩增
到356 bp的特异片段,而在抗病品系中无此条带。这些结果显示了在试管里鉴定番茄品种或材料对TYLCV
抗性的可能性。
关键词:番茄;试管苗;番茄黄化曲叶病毒;侵染性克隆;抗病性鉴定
中图分类号:S 641.2 文献标志码:A 文章编号:0513-353X(2012)12-2515-08
In Vitro Inoculation Technique for the Identification of Resistance to
Tomato yellow leaf curl virus in Tomato
FENG Lan-xiang,ZONG Yuan-yuan,BAI Miao,GONG Hui-zhi,YANG Yu-hong,and XIE Bing-yan*
(Institute of Vegetables and Flowers,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China)
Abstract:An in vitro-inoculation test was conducted for developing a new technique to identify
tomato resistance to Tomato yellow leaf curl virus(TYLCV). The tomato seeds of the TYLCV-susceptible
‘Moneymaker’,‘Zhongshu 6’and‘Lichun’,and the resistant line AVRDC CLN 2123 A were cultured
in the media of test tubes. The tomato microshoots(2.0–2.5 cm in length)of each cultivar were excised
after 21–25 days cultivated,and their basal parts were dipped in solutions(OD600 of 0.5)containing
Agrobacterium tumefaciens EHA 105 transformed with the infectious clone for the TYLCV-[CN:SH2]for
1 min. The inoculated in vitro microshoots were monitored for development of TYLCD(Tomato yellow
leaf curl disease)symptoms for 8 weeks post-inoculation. The symptoms of TYLCD started to appear on
susceptible in vitro-inoculated tomato plants two weeks after inoculation. Four weeks later,the susceptible
plants displayed severe symptoms of stunting,upward leaf curling and yellowing. Eight weeks later,the
susceptible plants showed extremely serious TYLCD symptoms and resulted in the browning,necrosis
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or death. But all of the microshoots of resistant tomato line‘AVRDC CLN 2123 A’remained symptomless
and continued the growth normally. Agarose gel showed PCR products(356 bp)amplified from DNA
extracts of the plants of the susceptible cultivars except the resistant plants of line‘AVRDC CLN 2123 A’.
These results indicated the high possibility to identify the resistance against TYLCV in tomato varieties or
germplasms in vitro using tomato microshoots.
Key words:tomato;in vitro-cultured plant;Tomato yellow leaf curl virus;the infectious clone;
disease resistance identification
1959 年,以色列农业部号召约旦河谷地区的菜农停止种植果实较软的本地番茄品种
‘Marmande’,改种利于出口的‘Moneymaker’番茄,当年 8 月田间大部分植株出现了番茄黄化曲
叶病(Tomato yellow leaf curl disease,TYLCD)的症状(Cohen & Lapidot,2007)。此后,由番茄
黄化曲叶病毒(Tomato yellow leaf curl virus,TYLCV)和相关病毒及株系引起的番茄黄化曲叶病毒
病(Tomato yellow leaf curl virus disease,TYLCVD)迅速传播到众多国家和地区(Czosnek & Laterrot,
1997;冯兰香 等,2009;张升 等,2012)。现在,几乎所有热带、亚热带甚至温带地区都有该病的
踪迹,逐渐成为世界性的严重问题。
培育抗病品种是减轻 TYLCV 危害的最好办法(Vidavski,2007)。以前的研究表明野生番茄对
该病毒的抗性由多基因控制,例如在智利番茄(Solanum chilense)中,由基因 Ty-1 和至少两个修饰
基因控制着抗性(Zamir et al.,1994);深入研究表明,TYLCV 的抗性遗传以及病毒—介体—寄主
间的相互关系是极其复杂的,这种复杂性是由番茄对病毒及烟粉虱(Bemisia tabaci)的不同抗性机
理所致(Ji et al.,2007);此外,TYLCV 的不同株系也会引起番茄黄化曲叶病毒病。
为了测定 TYLCV 的侵染性和了解番茄对 TYLCV 的抗性,不少学者研发了诸多抗病性筛选或
鉴定方法,但实践证明这些方法都存在着一定的缺陷(Liu,et al.,2002;Ryu et al.,2004;Lapidot
et al.,2007):例如在田间烟粉虱自然侵染接种法中,烟粉虱的活性、病毒的增殖及症状的发展都受
到自然环境条件的影响;室内烟粉虱传毒接种法则受到烟粉虱较难饲养、易于逃逸和野生番茄植株
可能逃脱侵染的影响;带毒番茄作砧木的嫁接接种法因费工费时难以大规模实施和推广;温室幼苗
注射接种法存在着接种压力不易准确控制和占地面积大、时间长的缺点;基因枪接种法则需贵重的
仪器和高水平的操作技术等。2004 年,Mazier 等采用常规摩擦法为莴苣组培苗接种了莴苣花叶病毒
(Lettuce mosaic virus),但 TYLCV 根本不能由摩擦接种法传播(Mazier et al.,2004);直到 2010
年,Ayed 等进行了番茄组培苗接种 TYLCV 的尝试,并取得了初步成功(Ayed et al.,2010)。
本研究中采用 TYLCV 侵染性克隆溶液接种番茄试管苗的方法,旨在提升中国番茄种质资源及
品种对 TYLCV 抗性鉴定的技术水平。
1 材料与方法
1.1 试验材料
含有双生病毒 TYLCV-[CN:SH2]侵染性克隆质粒的农杆菌 EHA105 菌株由浙江大学农业与生
物技术学院惠赠(张辉,2009),在–70 ℃下保存;MS 干粉(货号 M519,含维生素)购自美国 Phyto
Technology Laboratories,PCR 试剂 2 × Taq PCR MasterMix(含染料)、CTAB、DNA-marker、GoldView、
RNaseA 购自北京天根生物技术有限公司,UVS-2800 UV-VIS Daul Beam 分光光谱仪购自上海舜宇
恒平科学仪器有限公司,DNA 扩增仪、电泳仪、凝胶成像仪均为美国 Bio-RAD 公司产品。
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番茄(Solanum lycopersicum)材料,感病品种为‘Moneymaker’、‘中蔬 6 号’和‘丽春’,均
由本研究所保存与繁殖,不含任何抗 TYLCV 基因,高度感染 TYLCV;抗病品系为‘AVRDC CLN
2123 A’,含抗病基因 Ty-2,由亚洲蔬菜研究与发展中心赠送,本研究所繁殖与保存。
供试番茄种子经灭菌水浸泡 12 h 后,再经 70%酒精表面消毒 30 s、20%次氯酸钠溶液(加 0.1%
Tween-20)浸泡 15 min,然后用灭菌水冲洗 5 ~ 6 次,播种在灭菌的培养皿内,并置于恒温箱内催
芽(黑暗下 25 ℃),最后将发芽的种子转播在装 MS 固体培养基(MS 干粉 4.43 g,蔗糖 30 g,琼脂
粉 9 g,无离子水定容至 1 000 mL,pH 5.8)的组培瓶内,置于光照培养箱内(光照 16 h/黑暗 8 h,
24 ℃)培养 21 ~ 25 d,备用。
1.2 试管苗接种
取一接种环含 TYLCV-[CN:SH2]侵染性克隆质粒的农杆菌 EHA105 菌株,在 LB 固体培养皿
(添加卡那霉素和利福平,终浓度均为 50 μg · mL-1,pH 7.0)上划线,28 ℃培养 2 d 后,挑单个菌
落于 50 mL 的 LB 液体培养基中,于摇床中震荡培养(28 ℃、200 r · min-1)过夜;次日将菌悬液经
4 000 r · min-1 离心 10 min,用 MS 液体培养基(含终浓度为 100 μmol · L-1 的乙酰丁香酮)悬浮沉淀,
经分光光度计(OD600)测定农杆菌悬浮液浓度,并调 OD600 为 0.5 时作为接种液,置 4 ℃备用(2 d
内用完)。
从 21 ~ 25 d 苗龄的番茄组培苗上切取长约 2.0 ~ 2.5 cm 的嫩枝,将嫩枝基部在农杆菌接种液中
浸润 1 min,放在灭菌吸水纸上吸除残余的菌液并晾干,随即转移到装有 MS 固体培养基(含终浓度
为 100 μmol · L-1 的乙酰丁香酮)的培养皿中,黑暗下共培养 48 h;然后用灭菌水(含终浓度为 500
mg · L-1 的头孢噻肟)连续洗嫩枝基部 3 ~ 4 次,再次吸干后转移到装有 MS 固体培养基(同前)的
大试管(20 mm × 150 mm 或 25 mm × 200 mm,装试管高度 1/4 的培养基)中继续培养并观察病情
发展。每个番茄品种每重复接种 20 个嫩枝,共 3 次重复。另设‘Moneymaker’品种嫩枝在同浓度
的农杆菌接种液中整枝浸泡 10 min 进行对比。
1.3 病情调查
嫩枝接种 2 周后观察、记载 TYLCD 症状,以后每周调查 1 次,直到第 8 周。采用 Lapidot 和
Friedmann(2002)的病情分级标准调查记录病情和计算病情指数(DI)。病情分级标准:0 级,无
症状;1 级,顶端叶片的叶缘轻微发黄;2 级,羽状复叶的小叶末端黄化和轻微卷曲;3 级,多数叶
片黄化、卷曲、边缘上翘,植株矮化;4 级,叶片显著黄化、上翘、卷曲,植株严重矮化,甚至停
止生长。病情指数(DI)= ∑(各病情级别的代表数值 × 各病情级别的植株数)/调查总植株数 × 100。
1.4 接种株 TYLCV 的检测
采用 CTAB 法提取接种了含侵染性克隆质粒的农杆菌 EHA105 菌株的 4 种番茄品种的嫩枝组织
中的 DNA 作为 PCR 扩增的模板(Doyle & Doyle,1987),并分别以未接种的两种番茄(‘Moneymaker’
和‘丽春’)的嫩枝和 TYLCV 病株的 DNA 作为阴性和阳性对照。根据已发表的 TYLCV-[CN:SH2]
分离物(登录号 AM2828741)的保守区序列(张辉,2009),设计了一对简并引物(TYJF:5′-AGTCTGA
GGCTGTAATGTCGTCC-3′;TYJR:5′-CTGTTCGCAAGTATCAATCAAGGT-3′),用于扩增该保守区
的 356 bp 片段,引物由上海生工生物技术工程服务有限公司合成。PCR 反应体系包括 2 × Taq PCR
Master Mix、Taq DNA Polymerase(recombinant):0.05 units · μL-1、MgCl2:4 mmol · L-1、dNTPs(dATP、
dCTP、dGTP、Dttp):0.4 mmol · L-1、TYJF:0.25 μL、TYJR(10 pmol · μL-1):0.25 μL、PCR 中
DNA 浓度:50 ~ 100 ng · μL-1、ddH2O:2 μL。PCR 扩增程序为 94 ℃预变性 3 min,94 ℃变性 40 s,
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62 ℃退火 40 s,72 ℃延伸 1.5 min,34 个循环;72 ℃最终延伸 10 min,产物于 4 ℃保存,取 7 μL
预扩增产物在 1.6%的琼脂糖凝胶电泳检测点样。
2 结果与分析
2.1 接种试管苗的症状表现
感病番茄品种‘Moneymaker’、‘丽春’和‘中蔬 6 号’的 60 个嫩枝基部在农杆菌悬浮液(OD600
0.5)中浸渍接种 1 min,14 d 后近半数试管苗的叶片边缘轻微发黄,28 d 后试管苗的发病率为 100%,
均表现出 TYLCV 侵染的典型症状,几乎所有叶片呈现出十分明显的黄化、卷曲、叶缘上卷,植株
矮化;56 d 后发病十分严重,叶片窄小、黄化、向上卷曲,植株节间缩短,严重矮化,绝大多数植
株停止生长;而抗病番茄品系‘AVRDC CLN 2123 A’试管苗生长正常,无一发病;未接种的感病
品种‘Moneymaker’、‘中蔬 6 号’和‘丽春’试管苗也依然生长正常、健康(表 1;图 1,1 ~ 11)。
图 1 番茄试管苗接种侵染性克隆 TYLCV-[CN:SH2]后的症状
1、2、3:未接种;4:接种后,抗病品系‘AVRDC CLN 2123 A’无症状;5:接种后 14 d,叶缘轻微发黄;6、7、8:接种后 28 d,
叶片变小、黄化和卷曲;9、10、11:接种后 56 d,叶片严重变小、黄化、卷曲,植株严重矮化,甚至停止生长;
12:‘Moneymaker’整枝浸泡 10 min 后 28 d,农杆菌过度生长,试管苗死亡。
Fig. 1 Symptoms of induced by infectious clone of TYLCV-[CN:SH2] in tomato tube seedlings
1,2 and 3:Uninoculated;4:Inoculated‘AVRDC CLN 2123 A’plant,no visible symptoms;5:Very slight yellowing of leaflet margins at 14 d after
agro-inoculation;6,7 and 8:A vide range of leaf yellowing,curling,cupping and plant stunting at 28 d after agro-inoculation;9,10 and 11:Severe
yellowing,pronounced curling,cupping,and very severe plant stunting or plant growth stops at 56 d after agro-inoculation;12:Tube seedling of
‘Moneymaker’plant showed death due to Agrobacterium overgrowth at four weeks after shoot soaking with agro-inoculation.
12 期 冯兰香等:番茄试管苗抗 TYLCV 鉴定技术研究 2519
表 1 不同番茄试管苗接种侵染性克隆 TYLCV-[CN:SH2]后的发病情况
Table 1 Effect of infectious clone of TYLCV-[CN:SH2] on the incidence of TYLCV in tomato tube seedlings
14 d 28 d 56 d
番茄
Tomato
苗数
Number of
plants
发病率/%
Diseased
plants
病情指数
DI
发病率/%
Diseased
plants
病情指数
DI
发病率/%
Diseased
plants
病情指数
DI
Moneymaker 60 48.3 16.1 100 67.2 100 96.7
中蔬 6 号 Zhongshu 6 60 46.7 15.6 100 64.4 100 94.7
丽春 Lichun 60 48.3 16.1 100 67.2 100 96.7
AVRDC CLN 2123 A 60 0 0 0 0 0 0
这一结果表明用含有双生病毒 TYLCV-[CN:SH2]侵染性克隆质粒的农杆菌 EHA105 菌株能有
效地接种番茄试管苗,可在原始寄主番茄上表现出极强的致病力并产生叶片卷曲黄化的 TYLCV 典
型症状。整个嫩枝在同浓度(OD600 0.5)的农杆菌接种液中浸泡 10 min 的 60 株‘Moneymaker’品
种的试管苗,接种 14 d 后,由于农杆菌的过度生长,45 株(75%)试管苗遭受农杆菌污染,1 株(1.7%)
死亡;28 d 后又有 7 株(86.7%)出现污染,31 株(61.7%)死亡(图 1,12);56 d 后全部植株污
染,总共 56 株(93.3%)死亡;尚存的 4 株试管苗也是枝叶变褐坏死,濒临死亡。而嫩枝基部在同
浓度的农杆菌接种液中浸蘸接种 1 min 的 60 株‘Moneymaker’试管苗,基本上未发现农杆菌污染,
直到接种后 56 d 才有 1 株污染,污染率仅 1.7%,可能由于嫩枝接种后未彻底冲洗干净所致,但无
一死亡。因此,用浓度为 OD600 0.5 的含侵染性克隆的农杆菌菌液浸蘸外植体基部 1 min 是适宜可行
的。
2.2 接种试管苗的 PCR 检测结果
如图 2 所示,为了进一步验证病毒在接种试管苗中的复制情况,随机选取接种侵染性克隆
TYLCV-[CN:SH2]后 14 d 的‘Moneymaker’试管苗 6 株、‘中蔬 6 号’5 株和‘丽春’5 株,接种
图 2 接种侵染性克隆 TYLCV-[CN:SH2] 番茄试管苗中 TYLCV DNA 的检测结果
1、23:DNA marker 试剂盒;2、24:未接种的‘Moneymaker’和‘丽春’番茄试管苗(阴性对照);3、25:TYLCV 番茄病株
(阳性对照);4 ~ 9:接种 28 d 后的‘Moneymaker’;10 ~ 17:接种 14 d 后的‘Moneymaker’;18 ~ 22:接种 14 d 后的
‘中蔬 6 号’;26、27:接种 28 d 后的‘中蔬 6 号’;28 ~ 32:接种 14 d 后的
‘丽春’;33 ~ 44:接种 28 d 后的‘丽春’。
Fig. 2 Detection of TYLCV DNA in tomato tube seedlings after inoculation with the infectious clone of TYLCV-[CN:SH2]
1,23:DNA marker;2,24:DNA extracts of tube seedlings of‘Moneymaker’and‘Lichun’no inoculated in vitro with TYLCV respectively
(negative control);3,25:DNA extracts from infected tomato plants by TYLCV(positive control);4,9:‘Moneymaker’at 28 d after
inoculation in vitro with TYLCV;10–17:‘Moneymaker’at 14 d after inoculation;18–22:‘Zhongshu 6’at 14 d after
inoculation;26,27:‘Zhongshu 6’at 28 d after inoculation;28–32:‘Lichun’at 14 d after
inoculation;33–44:‘Lichun’at 28 d after inoculation.
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后 28 d 的‘Moneymaker’试管苗 8 株、‘中蔬 6 号’2 株和‘丽春’12 株(共计 38 株试管苗均显
示出轻重不同的 TYLCVD 症状),从各试管苗的嫩枝组织中提取总 DNA,并以此为模板,利用简并
引物 TYJF 和 TYJR 进行 PCR 扩增,所得电泳图谱显示出均能从接种试管苗中及 TYLCV 阳性对照
株中扩增得到 1 条预期大小 356 bp 的特异片段,而在未接种的阴性对照试管苗中无此条带,这一结
果表明试管苗接种 TYLCV 不但成功,而且病毒已在试管苗内大量繁殖。
3 讨论
TYLCV 属于双生病毒科(Geminiviridae)菜豆金色花叶病毒属(Begomovirus),其持久高效的
传毒方式是通过介体昆虫——烟粉虱(Bemisia tobaci)传播。此外,该病毒也是一种孪生颗粒形态
的单链环状 DNA 植物病毒,具有基因重组普遍、病毒变异频率高的特点,重组可发生在同科不同
属的病毒之间,甚至不同科的病毒之间,特别是病毒种间重组发生频率最高(Saunders & Stanley,
1999)。因此,在研发番茄对该病毒的抗病性筛选或鉴定方法时,务必认真考虑但往往却被忽视的一
个重要问题,即建立十分有效的控制措施,严防病毒或带毒烟粉虱向周围环境扩散,避免重组新病
毒或株系造成更大的危害。
由于番茄整个生育期间都可以遭受 TYLCV 的侵染,而且愈早侵染危害愈重,因此国内外都是
在番茄苗期进行抗病性鉴定的(Lapidot et al.,2006)。目前,我国番茄对 TYLCV 的抗病性鉴定主
要是采用日光温室内番茄幼苗注射 TYLCV 侵染性克隆的接种法(叶青静 等,2009;朱龙英 等,
2012),该方法操作简单、易于推广,但是存在着接种压力不准确和病毒易向外扩散的重要缺点。在
本研究中,采样试管苗接种侵染性克隆 TYLCV-[CN:SH2]的方法是将侵染性 TYLCV 克隆通过农
杆菌传递到番茄试管苗上,随后 TYLCV 成功地侵入到番茄试管苗体内,并进行病毒复制、运输甚
至诱发病害症状,被接种的已知感病和抗病番茄材料均表现出相应的真实抗病性,这充分表明该试
管苗接种法是有效的和可行的,不但克服了以往报道的其它 TYLCV 接种法的缺陷,而且一切操作
局限在很小的、封闭的环境中,有效地避免了病毒及带毒烟粉虱的扩散。
虽然,基因枪接种法也能有效地防止病毒及带毒烟粉虱的扩散,Morilla 等(2005)用基因枪接
种法成功地将阿尔梅里亚(Almeria)地区的 TYLCV 接种到番茄植株,但是 Ramos 等(2003)用类
似的方法却没有能够将古巴的 TYLCV-[CU]和 TYLCSV 接种到番茄,而且基因枪接种法的侵染
效率会随着番茄种的不同而有差异(Vidavsky,et al.,1998),加之接种成本太高,该方法无法推
广。
试管苗接种侵染性克隆 TYLCV 的方法还适用于不同病毒株系或种类同时侵染番茄植株,引起
可靠的复合症状,这是用白粉虱接种法难以做到的。而且这个方法也适合于测试不同番茄基因型和
TYLCV 株系之间的反应特异性,避免了与其他病毒及病原物的交叉感染。因为其他病毒及病原物
往往是在温室或田间里常用的接种物。
试管苗接种侵染性克隆 TYLCV 的方法也能够用来了解野生番茄基因型抗 YLCV 的机制。
Vidavsky 和 Czosnek(1998)报道,用常规方法接种 TYLCV,野生番茄(S. habrochaites)LA 1777
均表现无症,用带毒的白粉虱接种生长在温室里的 LA 1777,PCR 分析是免疫的,认为该番茄材料
对 TYLCV 免疫。后来用 TYLCV 侵染性克隆试管苗接种,虽然 LA 1777 嫩枝仍然无症,但是用 PCR
和 RCA 检测却是阳性(Kheyr-Pour et al.,1994),表明 LA 1777 对 TYLCV 只是耐病,其耐病机理
是因为 LA 1777 番茄周身长有茸毛,避开了烟粉虱的侵染传毒(Kennedy,2003),并非 LA 1777 番
茄不能通过其它途径感染 TYLCV。
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此外,试管苗接种方法有利于 TYLCV 侵染植株材料的长期保存,早在 1994 年,Pelah 等报道
了受 TYLCV 侵染的番茄愈伤组织在试管中可保存 8 个月甚至更长的时间(Pelah et al.,1994)。所
以,试管接种法既可用来延长侵染的材料,也能在不同地点交换侵染的材料。
当然,用含有 TYLCV 侵染性克隆的农杆菌接种存在着需要对 TYLCV DNA 进行克隆和转化,
这需要较高的试验条件和技术力量,但是一旦制备好后,用来进行接种鉴定却是很快速、高效和准
确的。这正是当前不少研究者冒着 TYLCV 可能向外扩散的风险在日光温室里注射接种 TYLCV 侵
染性克隆进行番茄抗病性鉴定的主要原因。
目前,试管苗接种侵染性克隆 TYLCV 的方法尚处在继续研究的阶段,与 Ayed 等(2010)的研
究相比,本研究中所用的 TYLCV 侵染性克隆为我国制备,而且其 TYLCV 毒株和根癌农杆菌菌株
均来自我国,接种浓度和接种时间也不相同。另外,尚未开展用试管苗接种法鉴定野生番茄资源对
TYLCV 的抗病性,因此今后还要继续进行深入地研究、使试管苗接种法得以不断地改进、优化和
完善。
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