全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(9): 1553−1560 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家公益性行业(农业)专项(3-19)和国家自然科学基金项目(30971822)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 张献龙, E-mail: xlzhang@mail.hzau.edu.cn, Tel: 027-87280510
第一作者联系方式: E-mail: appletears@163.com
Received(收稿日期): 2012-02-08; Accepted(接受日期): 2012-06-06; Published online(网络出版日期): 2012-07-03.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120703.0858.201209.0_007.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.01553
棉花抗黄萎病机制研究进展
徐 理 朱龙付 张献龙*
华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室, 湖北武汉 430070
摘 要: 棉花黄萎病是一种土传真菌维管束病害, 严重影响棉花产量和纤维品质。常规的防治手段可以局部控制但
不能有效防治, 采用传统的抗病育种策略培育抗病品种成效缓慢, 因此对其防治一直是棉花生产上的难题。目前越来
越多的研究集中在棉花对黄萎病的抗病机制方面。本文结合其他植物抗病研究进展从抗病基因介导的信号路径、乙
烯在棉花与黄萎病菌互作中的作用、棉花对黄萎病菌的生理生化抗性以及棉花组织结构与黄萎病菌的抗性 4 个方面
总结棉花抗黄萎病的机制, 以期对棉花抗病分子育种提供借鉴。
关键词: 棉花; 黄萎病; 抗病基因; 机制
Research on Resistance Mechanism of Cotton to Verticillium Wilt
XU Li, ZHU Long-Fu, and ZHANG Xian-Long*
National Key Laboratory for Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
Abstract: Verticillium wilt in cotton caused by Verticillium dahliae is a soil-borne vascular disease, which results in serious loss in
yield and fiber quality yearly. However, traditional strategy doesn’t work very well to control the disease but the local control, and
it isn’t an efficient way to develop a new cotton variety with resistances to Verticillium wilt via the conventional method, and there
are few successful reports with conventional breeding method for disease resistance improvement due to shortage of high resis-
tance germplasm, so the control of this disease has been an obstacle in cotton production. Recently, more researches focus on the
resistance mechanism of cotton to this disease. Coupled with results in other crops lately, here, we summarized the processes in
cotton for controlling Verticillium wilt based on signal transduction of R gene, the putative role of ethylene in the interaction be-
tween cotton and V. dahliae, physiological and biochemical resistance as well as host structural resistance, and from which some
suggestions may be inferred for molecular breeding in disease resistance.
Keywords: Cotton; Verticillium wilt; Resistance gene; Mechanism
棉花纤维作为纺织工业的重要原料使棉花成为
全球重要的经济作物。棉花生长周期长, 不仅易受
高温、低温、干旱等非生物环境影响, 还会遭到各
种病虫的危害而降低产量或纤维品质。棉花黄萎病
于 1914年在美国被首次发现后, 很快蔓延到世界上
其他产棉国。1935年随着从美国引种棉花黄萎病传
入中国, 20世纪 50~60年代在部分省份造成危害, 20
世纪 90 年代后, 该病已经蔓延到全国各棉区[1], 成
为影响当前棉花生产的主要病害之一。
黄萎病是通过根部侵染的土传真菌维管束病害,
侵染后会引起棉花叶片失绿变黄, 萎蔫脱落, 严重
时造成植株死亡, 严重威胁棉花产量及纤维品质。
黄萎病的致病菌在分类学上属于半知菌亚门, 淡色
孢科, 轮枝菌属, 其中能引起棉花黄萎病的主要有
两个种, 即大丽轮枝菌(Verticillium dahliae Kleb.)和
黑 白 轮 枝 菌 (Verticillium albo-atrum Reinke &
Berth)。这 2个种在形态、生理特性及寄主范围上均
有较大差异[2]。20 世纪中国学者在全国范围内的调
查发现, 主要棉区的棉花黄萎病菌以大丽轮枝菌为
主, 大丽轮枝菌的寄主范围很广, 目前报道的已有
600多种, 主要是锦葵科、豆科、十字花科和茄科等
双子叶植物[3]。最新的基因组测序比较分析表明, 相
对于黑白轮枝菌, 大丽轮枝菌具有更多的转座子、
重复基因、参与信号转导和代谢调控的基因, 这可
1554 作 物 学 报 第 38卷

能与大丽轮枝菌的致病力和遗传变异更多样化有
关[4]。由于大丽轮枝菌的寄主范围很广, 容易受到环
境和寄主变化的影响而产生新的生理型。而国内棉
花生产以农户小田块种植模式为主, 品种更换频繁,
同一田地中黄萎病菌的类型可能有多种, 这也是防
控棉花黄萎病较为困难的原因之一。
长期的植物生产实践表明选育和种植抗病棉花
品种是防治黄萎病的高效措施。但由于陆地棉抗黄
萎病资源缺乏及田间抗病性鉴定结果受多种环境因
素影响 , 传统育种方法选育抗黄萎病品种进展缓
慢。随着植物抗病分子生物学和遗传学的发展, 运
用现代基因工程技术, 进行抗病分子育种的条件已
趋于成熟, 但仍需更加深入理解植物抗黄萎病的机
制, 找到调控机制中的关键因子, 为棉花抗病分子
育种提供候选基因。本文将参考其他作物抗黄萎病
研究结果总结目前棉花抗黄萎病机制研究进展 ,
并结合本实验室的研究进展进一步提出可行性建
议。
1 抗病基因介导的抗病反应
植物的抗病防御反应被一系列复杂的信号分子
和转录调控因子调控 , 抗病基因(R基因)在识别病
原菌和起始抗病信号路径中起着重要作用。目前关
于 R基因的研究主要集中在拟南芥、水稻、番茄和
小麦等植物上, 还未见从棉花中克隆主效抗病基因
的报道。
国内外关于植物抗黄萎病机制的研究在茄科作
物上开展得比较深入。Kawchuk 等[5]从番茄中采用
图位克隆法得到Ve1和Ve2两个抗黄萎病基因, 它们
是为位于同一基因座位的 2个紧连的反向基因 , 均
编码细胞表面的类受体激酶蛋白, 由信号肽、N-端
成熟区、LRRs 重复区、跨膜结构域和 C-端胞内短
肽组成。Ve蛋白在植物细胞内介导的信号传导可能
类似于哺乳动物的细胞生成素受体, 配体首先与二
聚体化的 RLPs 蛋白结合并导致胞外和胞内的结构
域变化, 胞内结构能够和激酶相互作用, 结合不同
的信号因子而发生酪氨酸磷酸化作用, 激活下游一
系列信号传导反应[6]。随后的研究发现, 只有 Ve1能
介导番茄对大丽轮枝菌 1 号生理小种的抗性。通过
VIGS (virus-induced gene silencing)在番茄中的研究
结果显示, Ve1 介导的信号级联反应依赖于 EDS1
(enhanced disease susceptibility 1)和 NDR1 (nonrace-
specific disease resistance 1), 并发现 MEK2 (MKK2,
MAP kinase kinase 2)和 SERK3/BAK1 (BRI1-associ-
ated kinase 1)是 Ve1信号路径的正调控因子[7]。2011
年 Fradin 等[8]研究证实 Ve1 转化拟南芥后也能使拟
南芥产生对黄萎病菌的抗性, 并且所介导的信号路
径与番茄中类似, 茉莉酸信号路径在 Ve1 介导的抗
性反应中具有重要作用。最近, VIGS技术在棉花上
也得到了应用, 通过农杆菌介导的 VIGS 在棉花上
瞬时沉默一些基因, 结果发现会对棉花黄萎病的抗
性产生影响[9]。当沉默棉花中与 Ve1、NDR1和 MKK2
同源的棉花基因GhVe1、GhNDR1和GhMKK2时, 会
导致棉花对黄萎病菌抗性的丢失, 而沉默 GhNPR1
(non-expressor of pathogenesis-related genes 1)则对
抗性的影响不大, 表明 GhVe1、GhNDR1和 GhMKK2
可能也是棉花抗黄萎病反应中的重要成分。推测棉
花对黄萎病菌的抗性反应中可能也存在与番茄以及
拟南芥相似的抗病机制。陈捷胤等[10]和 Zhang等[11]
分别从抗黄萎病的海岛棉海 7124和 Pima 90-53中克
隆了与Ve1和Ve2同源的类受体蛋白基因, 并在拟南
芥中超量表达后能够增强拟南芥对黄萎病菌抗性。
陈捷胤等 [10]进一步通过芯片分析表明 , 超量表达
GbaVd1和 GbaVd2的拟南芥在病菌处理后, 能够识
别病菌信号, 随后激活乙烯和茉莉酸信号转导途径,
增强植物抗毒素的合成和细胞壁相关蛋白的表达 ,
形成具有抗真菌活性的植物抗毒素和增强细胞壁的
组织障碍 , 从而增强植物的抗病性。这与 Gayoso
等[12]通过分析 2 个番茄近等基因系 LA3038 (Ve/Ve)
和 LA3030 (ve/ve)在受到黄萎病菌侵染时 LA3038能
迅速积累 H2O2并伴随 PAL、POD 的酶活升高以及
木质素含量的增加等结论相似。以上结果显示已知
的植物抗病信号网络中部分关键因子参与了植物抗
黄萎病反应, 不同物种在抗黄萎病机制上可能具有
一定的保守性, 这为我们后续研究棉花抗黄萎病机
制提供了借鉴并为未来的棉花广谱抗病分子育种提
供了思路或候选基因。
2 乙烯在棉花与黄萎病菌互作中的作用
植物抗病反应是受多种信号调控的信号传导网
络, 通过抗病信号的产生、放大以及相互作用, 最终
诱导一系列基因的表达而产生抗病反应。激素在这
个过程中起着非常重要的作用。关于激素在棉花黄
萎病抗病反应中作用的研究相对较少, 这里重点介
绍乙烯在棉花与黄萎病菌互作中的作用。
乙烯作为一种气态激素不仅在植物的生长发育
第 9期 徐 理等: 棉花抗黄萎病机制研究进展 1555


过程中起着重要作用, 而且在植物抗病反应中的报
道也越来越多[13]。在拟南芥中通过对大量乙烯相关
突变体的遗传和分子鉴定, 已基本确定了植物从乙烯
生物合成、信号识别到转录调控的信号转导机制[14]。
但是关于乙烯在植物抗病反应中的作用到底是作为
信号分子激活抗病反应而增强植物的抗病性还是增
强植物对病原的敏感性而使植物更加感病, 目前还
没有定论。通常人们认为乙烯在植物抗病反应中的
作用与植物和病原互作类型密切相关[15-16]。Zuo等[17]
用黄萎病菌 V991 接种海岛棉海 7124, 构建了受黄
萎病菌诱导的抑制差减文库, 随后 Zuo 等[18]从上述
文库中分离克隆得到 2 个在海岛棉中受病菌诱导表
达的乙烯信号传导途径相关基因 GbERF1 和
GbERF2。外源乙烯处理和黄萎病菌接种都能诱导
GbERF1 和 GbERF2 基因快速表达, 暗示它们可能
在海岛棉抵御黄萎病的防卫反应中具有一定作用。
通过在烟草中超表达 GbERF2 发现, 转基因烟草能
够调控乙烯诱导相关基因的表达, 并激活一些 PR
蛋白的表达 , 增强了烟草对褐斑病的抗性 [17-18]。
2011 年 Xu 等[19]和 Wang 等[20]分别利用基因表达谱
和蛋白组学双向电泳技术分析海岛棉海 7124受黄
萎病菌诱导的基因表达, 发现了一系列与乙烯合成
以及乙烯信号传导相关的基因, 如 ACO1、ACO3、
EIN2和 ERF1。Xu等[19]进一步的表达分析表明, 这
些基因均受黄萎病菌诱导表达并在抗病和感病棉花
材料中具有不同的表达模式, 如 ACO1 基因在接菌
后的抗病材料海 7124 中的诱导速度和表达量都明
显高于感病的陆地棉材料 YZ-1。而 EIN2在海 7124
和 YZ-1 中则具有类似的表达模式, 但其下游信号
因子 ERF1基因在 2个材料间具有与 ACO1基因相
似的表达模式, 由此推测棉花有可能通过提高乙烯
合成以及信号传导路径等蛋白的表达从而激活乙烯
防卫反应而增强棉花对黄萎病菌的抗性, 抗感棉花
材料可能在 EIN2 介导的抗病信号网络中产生分支,
而 ERF1 介导的乙烯下游信号路径可能参与抗病反
应过程。
但人们早期的研究认为乙烯是导致感病的陆地
棉在黄萎病发生时叶片黄化萎蔫脱落的直接原因之
一[21]。Veronese等[22]利用各种激素响应的突变体研
究表明, 野生型拟南芥相对于乙烯不敏感的突变体
etr1-1 接种黄萎病菌后具有明显的叶片失绿症状 ,
推测黄萎病菌有可能通过诱导寄主产生更多的乙烯
来加速寄主衰老而促进黄萎病的发生。Pantelides等[23]
进一步研究乙烯信号路径在植物抗黄萎病中作用时
发现只有乙烯受体突变体 etr1-1 对黄萎病菌的抗性
增强了, 黄萎病菌在该突变体维管束中的生长才受
到显著抑制, 并且在 etr1-1 接种黄萎病菌后 PR-1、
PR-2、PR-5、CHI-1、CHI-2 和 Myb75 等抗病响应
基因的表达都显著上调。此外乙烯的另一正调控因
子突变体 ein3-1 也能增强对黄萎病的抗性[8], 但同
时乙烯的其他正调控因子如 ein2-1、ein4-1和 ein 6-1
却相对于野生型更加感病[24], 并且 Ve1 所介导的抗
性反应并不依赖于乙烯信号路径[8]。
以上结果表明乙烯在植物与黄萎病菌互作中的
作用非常复杂, 乙烯在植物与病原互作过程中的时
空变化及生物量的多少可能对于植物抗性的产生或
感病性增强的分化具有重要作用。通常人们认为乙
烯与茉莉酸两者共同作用于寄主对腐生营养型病原
菌的抗性反应, 两者介导的抗病下游信号网络存在
某些交叉[25], 在适当的时候乙烯下游信号分子可能
通过与茉莉酸信号网络互作共同参与植物抗黄萎病
反应, 但其具体机制仍不清楚。同时研究中所采用
的接种方法及环境因素对黄萎病发生的影响导致接
种结果的不稳定也加大了研究非主效抗病基因位点
在植物与黄萎病菌互作中作用的难度。
3 棉花对黄萎病菌的生理生化抗性
当植物受到病原菌侵染时相关组织能够积累植
物抗毒素, 如棉酚、植保素、单宁等, 这是植物抗病
防卫反应的一个重要方面[26]。棉酚作为一种重要的
植物抗毒素在棉花抗病和抗虫过程中起着重要作用,
有关棉酚及半棉酚的生物合成、调控及功能也是棉
花抗黄萎病研究中的重要方面。
Mace等[27]对类萜物的研究中发现脱氧半棉酚
(dHG)对黄萎病菌的毒性大于脱氧半棉酚甲醚、半棉
酚和半棉酚甲醚; 黄萎病菌侵染棉花时能引起棉花
中柱组织及幼叶内浓缩单宁含量显著增加。随后
Mace等[28]通过组织化学染色的方法对受黄萎病菌
侵染后的抗病材料海岛棉茎秆木质部中的 dHG 染
色, 结果发现只有在薄壁组织以及黄萎病菌菌丝体
中能检测到 dHG以及其他一些萜烯类物质。基因表
达分析表明, 萜烯生物合成途径中的相关基因均受
黄萎病菌诱导表达, 并且部分基因, 如 3-羟基-3-甲
基谷氨酰 CoA还原酶的表达速度在抗病的海岛棉中
明显快于在感病的陆地棉中[29-30]。δ-杜松烯代谢途
径是棉花倍半萜烯类次生代谢物的共有合成途径 ,
1556 作 物 学 报 第 38卷

(+)-δ-杜松烯合成酶基因(CAD)是一种倍半萜烯环化
酶, 是这个代谢途径中的关键酶, 催化棉花中棉子
酚和相关的倍半萜烯植物抗毒素生物合成的途径中
的第一个分支路径[31-32]。细菌性白叶枯病菌和黄萎
病菌均能诱导(+)-δ-杜松烯合成酶基因的表达。用黄
萎病菌处理(+)-δ-杜松烯合成酶基因 CDNS (cad1-c4)
受到抑制的棉花时 , 未发现棉花中棉子酚含量和
(+)-δ-杜松烯合成酶基因表达量的变化 ; 但细菌性
白叶枯病菌处理的植株中 CDNS 基因的表达急剧下
降。因此 CAD基因可能是由多基因家族编码, 包含
一系列具有不同时空表达模式的基因, 基因成员间
参与植物抗病反应可能具有特异性[33]。此外该代谢
路径还有一些修饰或调控类基因, 如 δ-杜松烯-8-羟
化酶基因和 GaWRKY1[34-35]。棉花类萜物类物质可能
通过抑制黄萎病菌的生长来限制黄萎病菌进入木质
部, 减轻病害的发生。虽然从基因诱导表达及生理
活性分析等方面证实棉酚等次生代谢物参与了棉花
对黄萎病的抗性反应, 但该代谢路径在棉花抗黄萎
病基因网络中的位置、功能以及如何将其应用于棉
花抗病育种仍有大量工作需要开展。
4 棉花对黄萎病菌的组织结构抗性
植物的组织结构抗性包括固有的结构抗性和诱
导的结构抗性。组织结构的诱导抗性是指植物受到
病原菌浸染后经过一系列的分子调控机制, 诱发植
株体内的一系列代谢变化, 在细胞水平上出现形态
结构的改变, 如细胞壁的木质化和其他一些物质的
沉积导致薄壁组织增生, 胼胝体、侵填体、周皮以
及乳突等结构的形成等以抵抗外来病原菌的入侵和
扩展, 最终使植物获得抗性[36]。
研究发现, 具有不同抗病性的棉花品种在组织
结构方面存在较大差异 , 特别是维管束结构的差
异。早在 20 世纪 30 年代, 就有研究发现近乎免疫
的埃及棉和抗病的海岛棉品种的维管结构木质化程
度加强, 并且含有大量淀粉贮存物的髓线, 木质部
细胞的间隙较小而细胞壁较厚, 提高了棉花机械抗
病性能, 同时也大大阻止了黄萎病菌的侵入以及在
植物体内的扩展, 而感病品种则与之相反; 研究发
现在接种黄萎病菌后 3~6 d, 抗病棉花品种的次生
木质部薄壁细胞只有 23%左右会受到侵染, 而感病
品种的细胞入侵率为 81%, 并且抗病品种胼胝质的
沉积也明显高于感病品种[37]。同时研究也证实, 用
大丽轮枝菌的激发子处理不同陆地棉品种下胚轴 ,
发现抗病品种 OR19 的下胚轴木质化速度和程度都
大于感病品种 Acala1517-70[38]。此外, 大量研究表
明一些氧化还原酶类和水解酶类在棉花抗黄萎病抗
性反应中起着重要作用, 主要包括谷胱甘肽 S 转移
酶、过氧化物酶、细胞壁蛋白和水解酶等。目前报
道的一些棉花抗黄萎病相关的 cDNA 文库中都分离
得到了编码这些蛋白酶的基因[18-19,39]。过氧化物酶
的活性与棉花植株的抗性相关, 接种病菌后, 抗病
品种中过氧化物酶的活性高于感病品种, 这可能是
因为过氧化物酶能促进细胞壁中木质素等次生物质
的合成, 从而影响植物的抗性[12,38,40]。而一些水解酶
如几丁质酶和葡聚糖酶则能通过降解真菌的细胞壁
而在棉花的抗病反应中起重要作用[41]。最近, 本研
究小组通过 RNA-Seq 大规模测序技术分析海 7124
接种黄萎病菌后抗病表达谱, 发现苯丙环类物质代
谢路径的相关基因在表达谱中得到富集。采用组织
化学检测的方法对比分析接菌前后不同抗感材料海
7124 和 YZ-1 的木质素沉积和维管结构变化, 并测
定木质素含量, 结果显示抗病材料的木质素合成增
强并在次生壁中积累和沉积使维管结构增强了对病
原菌的抗性, 在海 7124对黄萎病菌的抗性中起着重
要作用[40]。
这些结果说明, 棉花黄萎病作为一种从根部侵
染的维管束病害, 固有的组织结构抗性以及受病原
菌诱导的组织结构抗性在其中可能起着重要作用。
如何找到病原诱导下或正常生长条件下强化根和维
管组织细胞壁合成的关键调控基因对于创制广谱抗
病棉花材料具有重要意义。
5 棉花抗黄萎病机制与抗病育种展望
5.1 棉花抗黄萎病信号路径研究的前景与疑问
自 Kawchuk 等[5]从番茄中采用图位克隆法获得
抗黄萎病基因 Ve1 以来, 人们对植物抗黄萎病的机
制研究逐渐深入。研究发现拟南芥中也具有番茄 Ve1
产生抗性所需的信号路径, 但并无与 Ve1 高度同源
的基因[8], 而 Gao等[9]通过 VIGS技术也证实了上述
信号路径关键因子在陆地棉对黄萎病的抗性中的重
要作用。国内的陈捷胤等[10]和 Zhang等[11]从海岛棉
中克隆了与 Ve1具有较高同源性的类受体蛋白基因,
并证实在拟南芥中能激活抗黄萎病路径, 暗示已知
的植物抗病信号网络中部分关键因子参与了棉花抗
黄萎病反应, 不同物种在抗黄萎病机制上可能具有
一定的保守性, 我们推测棉花对黄萎病菌的抗性反
第 9期 徐 理等: 棉花抗黄萎病机制研究进展 1557


应中有可能也存在与番茄以及拟南芥相似的抗病机
制, 这为进一步挖掘表达谱中的信息研究棉花抗黄
萎病信号路径提供了参考。植物在各类抗病基因感
应病原菌存在后, 由水杨酸、茉莉酸和乙烯这 3 种
主要与抗病相关的激素信号网络产生免疫反应。人
们通常认为植物对腐生营养型病原菌抗性反应是通
过茉莉酸和乙烯协同产生。众多表达谱分析表明乙
烯参与了棉花对黄萎病菌的抗性反应 [17,19-20], 并且
在抗病材料海 7124和感病的陆地棉材料 YZ-1中具
有不同的表达模式[19]。但通过对拟南芥各种乙烯受
体及响应因子突变体的接种分析获得的相左结果却
使人们对于乙烯在植物抗黄萎病中的作用更为疑
惑[8,23]。我们对棉花接种黄萎病菌后进行体外乙烯利
喷施, 结果发现适当的低浓度乙烯能增强陆地棉的
抗性, 而更低浓度或高浓度乙烯下都明显有利于黄
萎病发生, 但单独将乙烯下游响应因子在棉花中超
量表达能提高其对黄萎病菌的抗性(未发表数据)。
因此我们推测乙烯的时空表达对植物的抗病性具有
重要影响, 其信号网络可能存在多方向分支, 不同
植物对乙烯的时空精确调控力度影响了植物对黄萎
病菌的抗病反应。
现有的研究表明 Ve1 介导的植物抗黄萎病反应
依赖于茉莉酸路径而与乙烯信号路径无关[8]。我们
实验室最近发现一些棉花功能基因, 如WRKY类转
录因子、细胞色素 P450酶在棉花中超量表达或抑制
表达后能显著影响棉花对黄萎病的抗性(未发表数
据)。表达谱分析及各种生理测定分析表明, 这些基
因表达模式的改变能显著影响茉莉酸的合成或信号
路径, 这可能是改变转基因棉花对黄萎病菌抗性的
根本原因。而这些基因在棉花抗黄萎病信号网络中
的位置还不确定, 也是目前我们正在探索的主要目
标。细胞壁结构的强化以及抗菌类物质的产生是病
原菌分子模体诱发的植物抗性产生的基础, 也是不
同类型的抗病基因介导植物抗病反应的普遍策略 ,
通常会使植物产生广谱抗病性。Xu等[40]研究发现抗
病的海岛棉在接种黄萎病菌后木质素合成代谢路径
基因表达水平或酶活强于陆地棉, 这与 Gayoso等[12]
研究 Ve1 介导的抗病反应研究结果相类似, 表明抗
黄萎病基因介导的信号路径通过强化细胞壁结构并
产生更多的抗菌类物质来对黄萎病菌产生抗性。因
此如何在棉花抗黄萎病信号网络中鉴定出调控细胞
壁结构或抗菌类物质产生的关键因子对于提高棉花
抗病的广谱性和持久性具有重要意义。
国内对于棉花抗黄萎病的遗传进行了大量研究,
但结论并不一致。多数专家倾向于抗病海岛棉相对
于感病陆地棉, 其抗病性主要由一对或少数主效基
因控制, 并且这种抗性针对不同类型的黄萎病菌具
有相对的稳定性; 但陆地棉材料间对黄萎病的抗性
或耐性遗传要复杂得多, 特别是利用多种黄萎病菌
鉴定时抗性普遍表现为数量性状[42-43]。由于 Ve1 编
码一个细胞表面的类受体激酶蛋白, 因此人们推测
植物对黄萎病的抗性可能是由黄萎病菌分子模体诱
导的植物抗性, 应该具有广谱性。但研究发现, Ve1
只能介导番茄和拟南芥对大丽轮枝菌 1 号生理小种
的抗性[7]。国内棉花抗病育种家长期通过海岛棉和
陆地棉杂交后回交进行定向抗病筛选, 但进展甚微,
表明海岛棉相对于陆地棉对黄萎病的抗性机制仍具
有特殊性, 其抗性可能并非一个 Ve1 基因或位点所
决定。国内如河北农业大学、南京农业大学和中国
农业科学院棉花研究所等多家单位长期开展了对棉
花抗黄萎病位点的遗传和精细定位研究, 但棉花基
因组结构复杂, 重复性高使得通过图位克隆棉花抗
黄萎病基因或位点困难重重。随着未来棉花基因组
测序的完成和解析, 结合基因组重测序和高通量基
因表达谱分析, 对于解析和阐明棉花抗黄萎病机制
将具有推动作用。
5.2 通过生物技术精确调控抗病基因时空表达
可望提高棉花抗黄萎病能力
通过基因工程利用各种抗病相关基因或诱发抗
病反应基因增强植物抗病性并应用于农业生产已在
各种作物分子改良中得到广泛应用, 国内外也有多
家研究团队在棉花抗病基因工程上开展了类似工
作。吴家和等[44]通过根癌农杆菌介导法将几丁质酶
和 β-1,3 葡聚糖酶嵌合双价基因导入陆地棉品种冀
合 321和中棉所 35。对转基因株系进行无底塑钵菌
液浇根法鉴定和大田病圃鉴定, 多个转化株系均表
现不同程度的抗或耐黄萎病性, 部分转基因纯合系
的大田病情指数达到高抗水平。最近也有利用人工
合成的抗菌肽、棉花病程相关蛋白及病毒促凋亡因
子等转化植物能获得对棉花黄萎病的抗性[45-47], 但
目前生产上还未有通过基因工程改良棉花抗性成功
应用于棉花育种的实例。植物的生长发育和对环境
胁迫的响应由一套复杂而精密的激素互作网络来调
控, 研究表明众多参与植物生长发育的激素, 如生
长素、赤霉素等也参与了植物免疫系统[25]。这可能
是植物育种中抗性与产量或品质性状通常呈现负相
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关的原因, 而传统的育种方法和策略很难将这种连
锁关系打断。CaMV35S是基因功能研究和基因工程
中最常用的启动子, 具有组织表达范围广和表达量
高的特点。而通常一些抗病信号分子或基因的组成
型表达会对植物的生长发育和产量产生负效应, 因
而在育种实践中限制了这些抗病转基因棉花材料的
应用。如何精确提高抗病基因的利用, 减少对产量
和品质的负效应需要精确的时空调控启动子, 西南
大学裴炎课题组通过特异调控棉花胚珠表面生长素
的时空表达来提高棉花纤维衣分和改良纤维品质为
通过基因工程精确提高棉花抗病性提供了新思路[48],
该研究团队从真菌中克隆的抗病基因在棉花中表达
已显示出很强的抗病性, 预示着基因工程在解决棉
花抗病问题方面有很大的潜力。
5.3 加强病原与植物互作研究和两方面研究队
伍的协同创新
在自然界中植物和病原菌具共进化关系, 因此
对植物抗病机制的阐明通常不仅依赖于植物抗病基
因的获得和信号路径的解析, 也依赖于对病原菌的
致病机理和变异机制的理解。一些从病原, 如病毒、
细菌等侵染植物机制研究中获得的成果成功应用于
棉花抗病材料创制的报道也说明了研究植物病原菌
致病机制对棉花抗病育种的重要性[47,49]。因而分别
从大丽轮枝菌和棉花两方面研究两者的互作以及两
方面工作的及时交流对于阐明棉花抗黄萎病机制和
对生产上持久有效防控棉花黄萎病的发生都很关
键。随着大丽轮枝菌基因组测序的完成和其他农作
物病原菌基因组测序工作的开展, 新方法、新策略
以及更多科研团队的参与都将促进棉花与黄萎病菌
分子互作机制研究水平的提高。
棉花黄萎病由于在生产上的危害和影响已受到
越来越多的关注, 但作为一种慢性和从根部入侵的
系统维管束病害决定了对其研究的复杂性。此外病
原菌变异快、抗性鉴定易受环境因素影响、棉花抗
性遗传复杂以及棉花遗传转化效率低等特点更加大
了对其研究的难度, 这也是棉花抗性机制和育种研
究进展缓慢的重要原因。通过 20 世纪 70 年代全国
协作陆地棉抗枯萎病种质资源的筛选、鉴定及应用,
为我国棉花抗枯萎病育种做出了重大贡献。人们也
曾以枯萎病抗病育种经验为参照对陆地棉进行多年
抗黄萎病筛选, 但结果并不理想。虽然黄萎病在 20
世纪 90 年代以后已成为影响中国棉花生产安全的
主要病害, 但对黄萎病菌变异和侵染机制以及棉花
抗黄萎病机制等基础研究的投入并未有显著提高。
由于短期内不能产生明显的进展和成果, 棉花黄萎
病相关研究所能获得的资助也是断断续续或零散 ,
这直接导致众多从事黄萎病菌和棉花抗性机制研究
的基础科研队伍人员构成不稳定, 并最终影响到近
30年来我国棉花生产受黄萎病影响现状未有实质性
改善, 棉花黄萎病相关基础研究进展缓慢。因此稳
定、高效的棉花与黄萎病菌研究队伍的建设和持续
性的资助对于棉花行业健康发展和国家棉花生产安
全都至关重要。
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