近日,中科院遗传与发育生物学研究所研究员王义琴等人的研究发现,天麻抗真菌蛋白GAFP4对不同生理型黄萎病菌株都具有非常明显的抗性,是一个有效的高抗棉花黄萎病蛋白。

  大丽轮枝菌是一种具有毁灭性的植物病原真菌,寄主非常广泛,能够侵染多达400多种植物,其中包括很多具有重要经济价值的农作物,全世界范围内由大丽轮枝菌引起的黄萎病损失每年超过数十亿美元。

  1935年由美国引进斯字棉时将大丽轮枝菌带入我国,随后迅速传播。目前,我国棉花种植区一半左右面积都受黄萎病害影响,成为棉花生产中最严重的病害,经济损失每年达15亿~20亿元。

  据王义琴介绍,大丽轮枝菌属于土传病菌,在土壤中形成微菌核抵抗不良环境存活达十年以上,至今生产上没有任何有效杀菌剂,因此,培育抗病棉花品种被认为是防治黄萎病的重要手段,但因缺乏有效抗源,目前为止尚未成功培育高抗品种。于是,黄萎病一直被认为是棉花的“癌症”。

  天麻是一种传统中药材,在我国已有一千多年的药用历史。天麻生活史的大部分时间生活在地下,没有叶片,无法进行光合作用,需要与多种真菌,特别是蜜环菌营共生生活。在共生过程中,天麻需要依赖蜜环菌侵染提供营养,同时天麻又进化出一套有效的防御体系来抑制真菌在其体内的过度侵染。研究发现,在天麻块茎的表皮和皮层薄壁细胞中存在一种小分子量的天麻抗真菌蛋白(GAFP)是这一防御体系的基础。离体抗真菌活性实验表明,GAFPs具有非常广谱的抑菌活性,对很多植物病原真菌具有很强的抑制作用,预示着其在植物抗真菌病基因工程中具有很大应用前景。

  王义琴通过用蛋白提纯、测序和cDNA文库筛选等方法从天麻中克隆到一个天麻抗真菌蛋白基因,命名为GAFP,并证明了GAFP对包括黄萎病在内的多种真菌具有较好抗性,进一步筛选天麻基因组文库发现,天麻中存在着四个GAFP基因。

  科研人员对四个成员的活性比较发现,一个新的成员GAFP4在体内和体外都具有最强的抑菌活性,且带有胞间质定位的信号肽可以明显增强抗性。王义琴课题组中国农科院棉花所研究员李付广课题组、中国农科院植保所简桂良课题组和山西农科院棉花所研究员焦改丽课题组长达十余年的合作,将GAFP4转入两个陆地棉栽培品种,并在山西运城、河南安阳和河北廊坊三地黄萎病病圃中进行连续三年黄萎病鉴定试验表明,GAFP4对不同生理型黄萎病菌株都具有非常明显的抗性,是一个有效的高抗棉花黄萎病蛋白。

  王义琴指出,尤为重要的是GAFP4转基因棉花在纤维产量上也有20.7%~51.7%的增加,因此,这项研究成果为通过植物基因工程手段攻克棉花的“不治之症”提供了可能。

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