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资讯 1 18 中文网 2131 品种与繁育 563372 抗黄萎病棉花品种诞生记 2016-09-22 09:12:53 chenmy
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抗黄萎病棉花品种诞生记   
文章来源:中国科学报
2016-09-22    条评论
  说起制约棉花生产的第一大病害,非黄萎病莫属。这是一种被称为棉花癌症的病害,它常年造成我国棉花15%以上的减产,年直接经济损失200亿元。黄萎病的肆虐让许多棉花人对2002年的棉灾记忆犹新:300万公顷棉花枯死或萎蔫,连片棉田减产甚至绝收,棉农损失惨重。

黄萎病并非无药可医,培育抗病品种就是公认的最经济有效的防控途径。然而,长期以来,黄萎病的为害机理不清、棉花抗病机制不明,两眼一抹黑,抗病品种的选育无从下手,一直是世界性难题。

情况在一项专门针对棉花黄萎病的“863”计划课题下,出现了转机。

主持该课题的是植保研究出身的中国农业科学院农产品加工所所长戴小枫研究员,30多年来他一直从事棉花主要病虫害综合防治技术研究工作。为了选育抗黄萎病棉花新种,戴小枫领导的攻关团队一头钻进去就是二十多年。

对世界性难题求根溯源

黄萎病主要是由大丽轮枝菌黑白轮枝菌两种致病菌导致的土传真菌病害。它们的寄主极为广泛,不仅棉花,它们的魔爪还伸向了茄子、番茄、黄豆等660种植物,其中仅主要农作物就有184种。由于这两种病原菌可在土壤中存活多年,加之病原菌变异频繁、致病生态型多样,常用的药物处理、栽培耕作等手段均见效甚微。

要选育出抗病棉种,弄清黄萎病致病机理、棉花抗病机制是必由之路和突破口。攻关团队通过调查统计、实地勘访,并借助分子生物技术细致研究,拿到了我国棉花黄萎病第一手的流行病学材料。

戴小枫等人统计发现,自1984年以来,我国棉花黄萎病发生危害面积逐年上升,其中1993年、2002年大暴发导致2/3棉田受灾。特别是2000年后西北内陆棉区危害加剧,发病面积超过50%。他们对黄萎病菌全基因组重测序并鉴定了20万个遗传变异,发现病原通过单核苷酸突变、插入缺失、水平转移和基因获得与丢失4种分子变异途径,进化出了4种致病变异型。

他们找到了黄萎病长年肆虐的根本原因:致病性变异导致强致病型菌系的比例快速上升。

在此基础上,他们开发了58个鉴定变异型的分子标记,创建了菌原变异型的分子监测方法。与此同时,他们还监测到了这些致病菌侵害棉花的动态侵染过程:黄萎病菌2小时附着表皮,14天内就侵入棉花木质部,引发典型黄萎病症状。在这过程中,热激蛋白调控的5个胞外毒素蛋白是该菌致病的关键——毒素蛋白参与了降解果胶和纤维素,阻塞导管营养与水分运输,最终导致棉花黄萎

我们的研究证明了毒素是因、阻塞是果,两者共同导致了对棉花的黄萎危害。戴小枫说,这澄清了国际学术界长期悬而未决的毒素说阻塞说的争论。

黄萎病菌有4种致病变异型,倒逼着攻关团队必须构建一个全病圃的抗病品种——新的棉花品种必须对4种变异致病菌都有抗性,才能保证棉花免遭黄萎病侵害。

不过,要想在众多棉花品种中找到合适的抗源并选育出抗病种,无异于大海捞针。因此,他们必须弄清棉花的抗病机制。

课题团队通过多杂交组合单一菌系和复合菌系接种抗病鉴定与遗传分析发现,棉花对黄萎病抗性并非单个基因作用,而是由多个主效基因协同控制。

黄萎病难治就在于此,多个主效基因控制,我们只转移一个两个抗病基因根本不灵。戴小枫打了一个形象的比方:就像吃馒头,吃一个两个吃不饱,必须得吃够数。

在此基础上,研究人员克隆并鉴定了5个主效抗病基因的功能,从分子水平上弄清了棉花的抗病机理:抗病基因协同识别病原菌效应子,通过信号转导激活乙烯和茉莉酸信号,调控胞壁蛋白合成以增强细胞内木质化水平——细胞木质化强,毒素蛋白在棉花内便无计可施。

至此,棉花抗黄萎病的多基因协同控制理论建立。

不做愚公

下一步就是找抗原材料。戴小枫注意到,育种专家在陆地棉里找抗原材料,找了上百年都没找到,意味着只在陆地棉里找抗原是死路一条。于是,他把目光瞄向了海岛棉。海岛棉虽然产量、品质都不行,但它们抗病性好。就像当年袁隆平寻找野败一样,海岛棉身上极有可能携带着攻克黄萎病的秘密武器

但在抗病品种选育之前,戴小枫等人还需要解决一个难题:如何快速准确地鉴定所育品种的抗性。戴小枫介绍,传统苗期鉴定,需要在接种以后观察28天,才能确定抗病情况。这种尺度的鉴定周期,对于要从成千上万的材料中选育抗病品种的工作而言,不啻于愚公移山

攻关团队不甘做愚公。在前述研究工作的基础上,研究人员想到了毒素浓度与叶片黄萎化程度存在相关性,于是由此着手,建立了毒素浓度与叶片黄化面积关系的数学模型,创建了一套特异、灵敏、高通量的毒素粗筛法,一下子将筛选抗病株的周期从28天缩短到两天。

此外,他们还分离、培养高致病型单孢菌系,直接接种到裸根观察植株,这样一来,就可以高效、准确地鉴定抗病株。裸根复筛法鉴定周期是14天,效率是传统方法的2倍。

在筛选的抗病株成株期,研究人员还通过每克土壤孢子数量与病指之间的关系建立数学模型,创建了定量、连续、高选择压负荷的鉴定病圃,以确保病圃苗期、成株期抗性鉴定的准确性和稳定性。

这还不够,戴小枫表示,为了确保田间病圃抗性鉴定的表现型与基因型高度一致,他们还研究开发出抗性基因分子标记6个,用以抗病基因跟踪检测。这样一来,棉株是否真的具有抗性,是李逵还是李鬼一测便知。

抗病基因检测技术的应用,使得抗性株系选择准确率达到95%以上。戴小枫说。

实质性突破的新时代

有了这些技术积累,抗病棉种的选育工作就水到渠成了。继对1112份陆地棉进行抗性鉴定之后,攻关团队又对317份海岛棉种质资源进行了黄萎病抗性鉴定,果然得到了积极的反馈:筛选出多毛早”“新海4等高抗海岛棉种质46份。他们随即用多毛早为父本、丰产性较好的中99为母本杂交选育出第一个抗黄萎病棉花品种中植372”。黄萎病发病率试验结果显示,与感病对照鲁棉11”、抗病对照中棉所12”相比,中植372”的发病率只有10.4%,对黄萎病达到高抗级。

乘胜追击。攻关团队继续从中植372”162份抗黄萎病材料中选育,得到了突破性抗黄萎病新品种——“中植棉2。该品种抗性优异,2004—2005年国家区域试验结果表明,中植棉2黄萎指数仅为11.1,达到抗级,对枯萎病由抗提高到免疫水平,抗虫性由中抗提高到高抗,实现了棉花对黄萎病由耐到抗的实质性突破。

基于以上优点,中植棉2”2007年至今连续9年为国家黄河流域区试抗黄萎病对照标杆品种,农业部连续6年推介中植棉2等为主导栽培品种,近10年来该品种棉花推广面积已逾8000万亩。

戴小枫说,课题共培育出中植棉2”“新植杂2”“新陆中4614个抗黄萎病棉花新品种,其中已有7个品种通过国审,6个通过省审。值得一提的是,2012年在新疆库尔勒尉犁县种植的新陆中46还创下了连片百亩方亩产814公斤籽棉的产量纪录。

由中科院院士朱玉贤、中国工程院院士喻树迅等组成的专家组一致认为,这一成果总体水平国际先进,其中抗病性鉴定技术和棉花抗黄萎病新品种选育技术居国际领先地位。该项突破2014年被授予国际金袋鼠创新奖,是继袁隆平、赵久然之后,我国科学家再次获得的国际荣誉。

一度令国内外同行束手无策的棉花癌症黄萎病,就这样由中国农科院植物保护研究所、农产品加工所和南京农业大学等单位组成的攻关团队攻克了。而抗黄萎病棉花品种的选育和推广,终结了我国棉花生产无抗黄萎病品种可种的难题,我国棉花生产由此进入了有抗黄萎病品种的新时代。

更重要的是,正如前文所说,黄萎病对作物的侵害不限于棉花。而抗病品种一旦在棉花上取得突破以后,对其他作物的抗病育种也具有方法和原理上的借鉴作用。

黄萎病菌还会变异吗?答案是会的。戴小枫认为,遗传规律告诉我们,棉花黄萎病制病性变异与棉花的抗病是一场没有止境的马拉松赛跑,但只要掌握了根治的法宝,我们就一定能在这场赛跑中不断取得胜利。

(责编:陈曼芸  电话:010-58931122-287

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