陆地棉抗黄萎病种质创新与抗病基因挖掘

抗病种质在抗病育种中的地位不可替代。远缘杂交材料创新是陆地棉黄萎病抗性种质创制的重要基础;基因工程提供了创造变异的新技术,但由于抗病机制复杂,导入一、两个主基因的效果还不明显;采用分子生物学技术揭示棉花对黄萎病的抗性机制,发掘棉花抗病基因和病程相关基因,有助于剖析棉花-黄萎病菌互作机制。本文概述了陆地棉抗黄萎病种质创制、抗病品种选育的成就,介绍了棉花黄萎病抗性机理与功能基因发掘等方面的最新进展,为抗病分子设计育种提供理论支持。     

棉花抗黄萎病品种选育的轮回选择研究——基础群体的构建

利用我国发现并鉴定的陆地棉核雄性不育系—洞Ａ为工具,将国内外现有的十多个抗（耐）棉花黄萎病的品种（系）和种质系导入到二个轮回群体中,拓建了棉花抗黄萎病轮回选择基础群体。从而为同步提高棉花的产量、品质和抗病性打下基础。     

中棉所12的黄萎病抗性遗传与育种应用研究

 以2个海岛棉品种和5个陆地棉品种为材料与中棉所12进行正反交,配制14个杂交组合的F₁和F₂ 。采用纸钵育苗,撕底伤根接种方法对14个组合的F₁和F₂群体进行黄萎病抗性鉴定。结果表明,以中棉所12作父本与海岛棉抗黄萎病品种或陆地棉抗黄萎病品种进行杂交,F₂抗（耐）病株与感病株的分离符合3：1的分离规律,说明海岛棉的抗黄萎病性对于中棉所12的耐黄萎病性为显性,中棉所12的耐黄萎病性对于陆地棉的感黄萎病性为显性,控制黄萎病抗性的基因为一个显性主基因。然而,以中棉所12为母本与海岛棉品种、抗病陆地棉品种和感病陆地棉品种进行杂交,F₂群体中90%以上的个体为抗病类型,说明中棉所12的细胞质中存在着抗黄萎病的遗传成分,具有细胞质母体遗传的特点,在棉花抗黄萎病育种中具有重要的利用价值。     

Germplasm evaluation and transfer of Verticillium wilt resistance from Pima (<Emphasis Type="Italic">Gossypium barbadense</Emphasis>) to Upland cotton (<Emphasis Type="Italic">G. hirsutum</Emphasis>)

Verticillium wilt (VW, Verticillium dahliae) is a worldwide destructive soil-borne fungal disease and employment of VW resistant cultivars is the most economic and efficient method in sustainable cotton production. However, information concerning VW resistance in current commercial cotton cultivars and transfer of VW resistance from Pima (Gossypium barbadense) to Upland (Gossypium hirsutum) cotton is lacking. The objective of the current study was to report findings in evaluating commercial cotton cultivars and germplasm lines for VW resistance in field and greenhouse (GH) experiments conducted in 2003, 2006, and 2007. In the study, 267 cultivars and germplasm lines were screened in the GH, while 357 genotypes were screened in the field. The results indicated that (1) VW significantly reduced cotton yield, lint percentage, 50% span length and micronaire, but not 2.5% span length and fiber strength, when healthy and diseased plants in 23 cultivars were compared; (2) some commercial cotton cultivars developed by major cotton seed companies in the US displayed good VW resistance; (3) many Acala cotton cultivars released in the past also had good VW resistance, but not all Acala cotton germplasm are resistant; (4) Pima cotton possessed higher levels of VW resistance than Upland cotton, but the performance was reversed when the root system was wounded after inoculation; (5) VW resistance in some conventional cultivars was transferred into their transgenic version through backcrossing; and (6) some advanced backcross inbred lines developed from a cross between Upland and Pima cotton showed good VW resistance. The successful development of VW resistant transgenic cultivars and transfer of VW resistance from Pima to Upland cotton implies that VW resistance is associated with a few genes if not a major one.     

利用SSR分析四倍体棉种多态性

利用SSR标记对60份四倍体棉种材料进行遗传多样性分析,其中包括42份陆地棉野生种系。结果显示, 从1 050对SSR引物筛选出的95对SSR引物均能在60份材料间扩增出稳定明显的多态性条带,共检测出660个片段,其中多态性片段584个,占88.5%。每个位点的等位基因为2~12个,平均每对引物6.1个。UPGMA聚类分析显示, 42份材料的相似性系数(GS)在0.306~1.000之间,平均成对相似系数为0.493。95对引物的多态信息含量(PIC)的变幅为0.278~0.905,基因多样性(H¢)的变幅为0.451~2.451, 有效等位基因数(Ne)在1.385~10.490之间变动。SSR标记在陆地棉野生种系及四倍体棉种间均可反映丰富的遗传多样性信息,其中陆地棉与陆地棉野生种系中阔叶棉的亲缘关系最近,海岛棉和达尔文棉的亲缘关系非常相近,黄褐棉和毛棉相对较近,陆地棉与其他4个棉种的亲缘关系最远。     

陆地棉高品质纤维种质基因库的拓建

采用远缘杂交,开展了棉属野生种的高强纤维潜力基因向陆地棉品种转育研究,以构建高纤维品质的种质基因库.在适宜的自然条件和人工条件下,陆地棉分别与异常棉(Gossypium anomalum)、辣根棉(G.armourianum)、雷蒙德氏棉(G.raimondii)等杂交,克服杂交不可交配性、杂种一代的高度不育性等,通过多年的回交选择和纤维品质测定筛选,     

陆地棉植株组织结构和生化代谢与黄萎病抗性的关系

通过对8个陆地棉品种的植株组织结构、酶活性和根系分泌物的比较分析,研究陆地棉黄萎病抗性机制。研究结果表明,陆地棉抗病品种根和茎的导管细胞壁厚、直径小、数目多,髓射线数目多、单位面积薄壁细胞数多,有助于抵御棉花黄萎病菌的侵入与扩展。过氧化物酶（POD）活性与棉花抗黄萎病的关系不明显,但苯丙氨酸解氨酶（PAL     

过氧化物酶同工酶与棉花黄萎病抗性的相关研究

对20个来源及抗性不同的海岛棉和陆地棉品种和2个陆地棉(S)/海岛棉(R)杂交组合 的亲本、 F1、 F2世代的POX同工酶研究表明, 接种黄萎病菌前后, 棉花叶片中的 POX同工酶酶谱发生明显变化, 抗病品种与感病品种的阴性POX同工酶谱带均由原来的3 条 增 至6条, 但两者之间不存在明显差异; 阳性POX同工酶谱带接种前后均只有1条(     

转CpTI基因对棉花主要病害及早衰的影响

 2006-2007年,采用4个转CpTI基因棉花材料及其受体研究了转CpTI基因对棉花苗病、黄萎病、后期叶斑病及早衰的影响。结果表明：3个转CpTI基因材料苗病死苗率均低于其对应的受体材料。在6月底和7月初黄萎病的发生初期,转基因材料黄萎病发生较受体材料轻,7月中旬到8月底9月初,不同品种以及同一品种的不同生育期之间差异较大,转基因材料C连续两年病指极显著低于对照受体材料。与非转基因材料相比,转CpTI基因材料叶斑病的发生显著加重,早衰发生也加重。     

3个黄褐棉近等基因系的选择及评价

为了发掘利用黄褐棉的优异基因并用以改良陆地棉纤维品质,通过陆地棉与黄褐棉种间杂交构建了一套回交高世代群体,通过标记辅助选择及纤维品质鉴定选出3个近等基因系。结果表明,所选的近等基因系遗传背景与陆地棉亲本基本相同,仅在少数几条染色体上具备黄褐棉渐渗片段,这些渐渗片段主要集中分布于1号、14号以及19号染色体。3个近等基因系的纤维强度表现突出,纤维细度优良,有望通过精细定位发现控制纤维强度及麦克隆值的QTL,同时这3个近等基因系可以作为种质资源供纤维强度和细度改良育种应用。     

棉花种间杂交渐渗系抗黄萎病性状遗传分析

利用抗黄萎病棉花种间渐渗系冀79作父本,高感病陆地棉品系1096作母本,配制杂交组合。感病对照、亲本及F1、F2在田间混生病圃鉴定。对亲本、F1及F2分离群体的抗性表现进行调查、统计,分析该抗源抗黄萎病性状的遗传方式,结果表明,该抗源抗性是由1个显性抗(耐)病基因和2个加性基因共同起作用,其中加性基因起主要作用。并且2个加性基因是独立遗传的,当2个加性基因同时存在并且纯合时,植株表现为高抗;当2个加性基因同时存在并且杂合时,植株表现为抗病;当只有1个加性基因存在时,不论纯合还是杂合,植株都表现为耐病;当2个加性基因不存在时,植株表现为感病。     

中国棉花体细胞植株再生的基因型分析

我国开展棉花体细胞组织培养研究20多年来,已经成功的获得了戴维逊氏棉、雷蒙德氏棉、瑟伯氏棉、拟似棉、草棉、亚洲棉、海岛棉和陆地棉8个棉属的再生植株。其中陆地棉约占总数的70％,海岛棉约占20％。考查陆地棉栽培品种(系)的系谱亲缘关系,主要来源于斯字棉的材料约占26％、岱字棉约占23％、乌干达棉约占12％、珂字棉约占11％、爱字棉约占3％、福字棉约占1．5％。本文对我国再生植株品种(系)的差异进行了分析,并将开展棉花体细胞组织培养以来再生成功或研究利用的基因型加以整理,以期为进一步的研究提供参考。     

基于人工病圃筛选和分子标记辅助的棉花抗黄萎病育种方法研究与应用

以抗病性较强的中植372为研究对象,和陆地棉感病品种军棉1号配制组合构建F2作图群体,筛选到和黄萎病抗性紧密连锁的SSR标记NAU1269。选育过程中,以中植372为父本或者母本,通过人工黄萎病病圃对种间杂交、回交、加代选育以及再杂交的材料进行了抗病性筛选,同时每代育种材料均对黄萎病抗性紧密连锁的SSR标记NAU1269进行跟踪检测,筛选出与黄萎病抗病性状紧密连锁的亲本及其后代材料,进而培育出抗黄萎病、产量高、品质优良的中植棉2号、新植5号、中植棉6号、中植棉8号等10余个国审及省审抗(耐)黄萎病棉花新品种。对育成的品种进行检测发现,中植2棉号、中植6棉号、中植8棉号和新植5号均能够检测到与黄萎病抗性紧密连锁的SSR标记NAU1269和已报道的抗黄萎病的分子标记NAU828和NAU1225,而且这3个标记在各个品种材料之间呈共显性分离。结果表明,基于人工病圃筛选和分子标记辅助育种相结合是选育棉花抗黄萎病材料可行、高效的育种方法。     

棉花黄萎病菌与品种互作的格局分析

 以23个棉花品种(系)接种18个黄萎病菌株的抗感表现(病情指数)为分析对象,在聚类分析的基础上用双标图方法研究了寄主 病原的互作格局。结果表明：23个棉花品种分为6个抗病性不同的品种组,18个菌株聚为5个致病力不同的菌株群。5031和50312组成的品种组G1对所有菌株群具有最高抗性,可作为抗黄育种的高抗质源。来自河北成安的VD25与来自江苏常熟的XS4、XS6和XS7组成的菌株群S4与G5品种组存在互作,其致病力最强,是棉花黄萎病的优势菌株群,在抗黄育种和抗黄鉴定中应予以高度重视。S2和S3菌株群与56%的参试品种构成的3个品种组间存在互作,是潜在的优势菌株群。具平均抗病性的G2品种组是黄萎病菌的优良寄主。     

棉花黄萎病菌与抗黄萎病遗传育种研究进展

简要综述了棉花黄萎病菌及抗黄萎病遗传育种的研究进展。研究表明 ,各地的棉花黄萎病菌均存在致病力的分化 ,其致病机理是病菌侵入棉花后菌丝及孢子在导管内大量繁殖 ,同时刺激邻近的薄壁细胞产生胶状物质及侵填体而堵塞导管 ,使水分和养分运输发生困难 ,更重要的是病菌在棉株体内产生的糖蛋白毒素作用的结果。棉花抗黄萎病的遗传方式争论较大 ,但一般在温室由单一菌系接种鉴定时棉花黄萎病抗性表现为单基因遗传 ,而在田间病圃或用多菌系混合鉴定时 ,棉花黄萎病抗性表现为多基因遗传。由于陆地棉内缺乏高抗黄萎病资源 ,给棉花抗黄萎病育种带来一定困难 ,但 90年代以来 ,已育成 86 - 6、川 73 7、川 2 80 2、豫棉 1 9号、豫棉 2 1号等一些抗黄萎病的新品种。上述抗黄萎病品种在棉花黄萎病综合防治中起了重要作用     

Molecular Cloning and Characterization of the Actin-depolymerizing Factor Gene in Gossypium barbadense

Sea Island cotton (Gossypium barbadense L.) has been highly valued in Verticillium wilt resistance and many fiber qualities including fiber length,strength,and fineness.To identify whether it had some special genes in fiber development in comparison with the upland cotton (G.hirsutum L.),an actin-depolymerizing factor (ADF) gene was cloned and characterized in this research.A 420 bp open reading frame of the cloned gene,termed GbADF1,encoded a protein of 139 amino acids,which included39.57% nonpolar amino acids,17.27% acidic amino acids,15.83% basic amino acids,and 31.92% hydrophobic amino aids.     

利用RAPD检测棉属种间亲缘关系的研究

利用RAPD分子标记技术对棉属24个种进行了种质资源遗传多样性研究,并用棉属近缘植物杨叶肖槿为参考对照,旨在从DNA分子水平上进行亲缘关系鉴定和系统分类。在40个RAPD引物中筛选出多态性高的引物26条,多态性条带比率为2l.0%。使用NTSYS-pc（Version 2.00）软件,及Jaccard’s相似系数UPGMA法进行聚类,表明材料之间存在较大的遗传多样性,对20个二倍体棉种进行遗传相似系数比较,说明旱地棉和绿顶棉、澳洲棉之间的亲缘关系最远;对异源四倍体棉种与A和D染色体组棉种的遗传相似系数比较结果表明,异源四倍体棉种与A染色体组中的草棉和亚洲棉,相似系数都较高,说明在四倍体棉种演化过程中草棉和亚洲棉起的作用是等比例的;异源四倍体棉种与雷蒙地氏棉的遗传相似系数显著高于与其他参试的D染色体组棉种,证明异源四倍体棉种的D染色体组供体种为雷蒙地氏棉,并支持异源四倍体棉种单系统发育起源学说,A染色体亚组的草棉或亚洲棉与D染色体亚组的雷蒙地氏棉两者杂交和染色体加倍后形成原始的异源四倍体棉种,并随着地理和遗传的趋异而分化形成不同的四倍体棉种;RAPD分子标记聚类结果与传统的分类结果基本相符,说明RAPD分子标记资料可用于棉属植物的分类和系统发育研究。     

野生棉与陆地棉异源四倍体的合成与性状鉴定

棉属具有丰富的种质资源,将抗病性从野生棉转移到陆地棉中,以此提高陆地棉抗病性是一条理想的育种途经。本研究通过陆地棉和C组野生澳洲棉远缘杂交获得杂种F1,对其进行染色体加倍,将加倍的异源六倍体再与B组野生绿顶棉杂交,产生陆地棉、澳洲棉、绿顶棉的异源四倍体杂种。异源四倍体杂种继承了亲本的部分性状,同时也产生了如蔓生等特异性状;该杂种减数分裂后期染色体不能均等分离,四分体时期有多分体和微核出现;SSR结果发现,该杂种不仅具有三个亲本的特征条带,并且产生了新的重组成分。本研究不仅为该异源四倍体杂种不育提供了直接原因,也为进一步探讨有效的育性恢复方法及棉花新种质创制提供了依据,同时为利用野生棉资源控制棉花黄萎病育种探索培育了中间材料。     

用相互嫁接和定量PCR分析棉花对棉花黄萎病的抗性

为了研究棉花对棉花黄萎病的抗性机制, 本文选用对棉花黄萎病表现抗病的海岛棉(Gossypium barbadense)材料海7124和Pima 90及感病的陆地棉(G. hirsutum)材料冀棉11, 通过相互嫁接的方法构建试验系统, 用棉花黄萎菌对其人工接种, 利用Real-time quantitative PCR (qPCR)技术分析其在感病和抗病棉花中侵染的差别。相互嫁接试验中感/抗和抗/感组合的病情指数介于感/感和抗/抗对照之间, 且相互嫁接棉株各个部位的IC值(侵染系数)也多介于其对照相应部位之间; 并且病情指数与不同部位IC值显著相关, 说明棉花黄萎菌可以通过接口在抗-感之间扩展。感/抗嫁接组合试验说明抗病材料的茎基部在抑制病原菌扩展中起重要的作用, 而抗/感类型试验说明抗病材料接口以上部分也具有抑制病原菌增殖的作用。总之, 抗病海岛棉无论作为砧木还是接穗, 都能有效抑制病原菌的扩展, 说明抗病海岛棉对棉花黄萎菌具全株抗性, 但茎基部在抑制病原菌扩展中起重要的作用; 同样, 感/抗和抗/感组合试验也说明感病材料的各个部位均不能抑制病原菌的定殖和扩展。