棉花枯萎病和黄萎病的研究

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    我1936年编写《中国棉花病害》和《棉病调查报告》时，棉花枯、
黄萎病在我国已有发生，新中国成立初期在河北唐山、山东潍坊、陕西
三原、四川射洪、江苏南通等县零星发病。20世纪60年代末至70年代
初两病的为害已十分严重，尤其是枯萎病，在上述病区造成大面积绝产，
成为棉花生产的主要问题。为了把两病的防治工作搞好，60年代末由我
牵头，有中国农业科学院植物保护研究所马亚鲁所长、棉花研究所李成
葆研究员、西北农学院仇元教授、陕西农业科学院副院长俞启保教授组
成5人领导小组，领导全国枯、黄萎病的综合防治研究工作。1972年在
农业部领导下成立“全国棉花枯、黄萎病综合防治协作组”，使两病的防
治工作走上了正轨。
    50多年来，我国植保科技工作者对棉花枯、黄萎病的综合防治进行
了大量研究工作，发表了数百篇论文，取得多项科研成果，很值得认真
整理及总结。现在，由长期从事该项研究的马存、简桂良等同志编写的
《棉花枯萎病和黄萎病的研究》书稿，我看后很满意。从内容看，该书除
保留了《棉花病害基础研究与防治》(沈其益主编，1992年，科学出版
社出版，书内枯、黄萎病内容约10万字)一书棉花枯、黄萎病的精华
外，有四分之三的内容是新的研究成果。尤其是突出了棉花抗枯、黄萎
病育种工作的成就、经验及存在的问题和对策，为今后抗病育种工作指
明了方向。此外，枯萎病菌的抑菌土、黄萎病毒素、枯黄萎病生物防治
及生态学也都是新的研究成果。本书还编入了由中国科学院遗传研究所
研究完成的远缘杂交抗枯、黄萎病育种，使内容更加丰富。
    本书内容以我国棉花枯、黄萎病综合防治研究工作为主，并收集国
外有关资料以供借鉴。希望本书的出版能为我国棉花的高产稳产做出应
有的贡献。

2005年2月

前言
    棉花枯萎病和棉花黄萎病(简称棉花枯、黄萎病)，是我国及世界各主要产棉
  国危害棉花*严重的两种病害。枯萎病在苗期至现蕾期为害严重，重病田现蕾期
  可造成大片死苗，甚至绝产。黄萎病后期为害严重，可造成早期落叶成光秆，也
  可造成大面积绝产。两病均为20世纪30年代传入我国，新中国成立初期零星发
  病，但因种子带菌可远距离传播，随棉种的大量调运，枯、黄萎病很快就传播至
  全国各主要植棉区。1972年统计，全国18个植棉省(自治区、直辖市)638个植
  棉县，有408个县发生枯、黄萎病，占植棉县总数的63．9％。1982年全国枯、黄
  萎病普查结果，全国两病发病面积达148．2万hm2，占当时全国植棉总面积的
  31％，绝产面积2万hmz，损失皮棉10万t以上。到80年代末虽然枯萎病的严重
  危害得到控制，但从90年代初开始，黄萎病为害逐年加重，1993年、1995年、
  1996年、2002年、2003年黄萎病连年大发生，每年损失皮棉8万～10万t，到21
  世纪初黄萎病仍然严重为害，成为棉花高产稳产的主要障碍。
    对枯、黄萎病的综合防治研究，党和政府一直十分重视。1972年在农业部的
  领导下，由中国农业科学院植物保护研究所、棉花研究所与北京农业大学、西北
  农学院、陕西农业科学研究院共五个单位牵头成立“全国棉花枯、黄萎病综合防
  治协作组”，全国共有70多个科研院校及推广单位，300多名科技人员参加协作组
  工作。从“六五”至“十五”一直将枯、黄萎病的综合防治列为国家科技攻关项
  目。近年来，有关抗黄萎病基因工程研究多次被列为国家“863'’项目，并已取得
  可喜进展。
    我国棉花枯、黄萎病经过50多年的研究，已取得多方面的成就。在应用基础
  方面，研究明确了两病病原菌的种；枯萎病菌的生理小种；黄萎病菌致病力分化
  及落叶型菌系；枯萎病菌的抑菌土；种子带菌检验及消毒；两病所造成的田间产
  量损失；两病的田间流行规律等。在综合防治方面，对两病的农业、化学、生物
  防治均进行了较系统的研究。早在20世纪70年代就提出以抗病品种为主的综合
  防治枯、黄萎病策略，选育出著名的抗枯萎病抗源品种川52—128及抗枯萎病高
  产品种陕1155、中植86—1、中棉所12(分别获国家发明一、三、二、一等奖)。
：  由于抗病品种的大面积推广应用，到80年代末，枯萎病的严重为害已得到控制，
这是一项令世界瞩目的成就。
    50多年枯、黄萎病研究，已发表有关论文400余篇，将其精华撰写成专著是
十分必要的，一方面是对过去工作的认真总结，另一方面也为明确今后研究方向
及为今后的研究工作提供参考和借鉴。由中国农业科学院植物保护研究所长期从
事该方面研究的专家为主，并邀请有关单位的多位专家共同撰写的《中国棉花枯
萎病和黄萎病的研究》一书，即将出版。她的出版将给棉花两病的持续控制，为
我国棉花的高产稳产起到重要作用。
    该书内容丰富，共二十一章。各章撰写人员分工如下：
    **章，棉花生产及其病害，马存；
    第二章，棉花枯萎病发生为害及分布，马存，邹亚飞；
    第三章，棉花枯萎病的病原菌，简桂良，孙文姬；
    第四章，棉花枯萎病菌的侵染循环、传播及流行规律，马存；
    第五章，棉花枯萎病菌的抑菌土，简桂良；
    第六章，棉花枯萎病的致病机理及抗病机制，冯洁；
    第七章，棉花黄萎病的发生为害及分布，马存；
    第八章，棉花黄萎病的病原菌，冯洁；
    第九章，棉花黄萎病的传播及流行规律，马存，齐俊生；
    第十章，棉花黄萎病菌的毒素，杨家荣；
    第十一章，棉花黄萎病菌的致病机理及抗病机制，冯洁；
    第十二章，棉田线虫与枯、黄萎病的关系，彭德良；
    第十三章，棉花品种对枯、黄萎病的抗病性鉴定，马存，朱荷琴；
    第十四章，棉花枯萎病抗性转化现象及其应用研究，杨家荣，高永成，张云
青；
    第十五章，棉花远缘杂交抗枯、黄萎病育种，何鉴星；
    第十六章，生物技术抗棉花枯、黄萎病育种，简桂良；
    第十七章，我国棉花抗枯、黄萎病育种的主要成就，马存，郑传临；
    第十八章，我国棉花抗枯、黄萎病育种的主要经验、问题及对策，马存，宋
小轩；
    第十九章，棉花枯、黄萎病的防治，马存；
    第二十章，棉花枯、黄萎病的微生态学与生态防治，李洪连；
    第二十．一章，棉花枯、黄萎病的生物防治，马平；
    附录，棉花品种抗枯萎病和黄萎病鉴定方法及抗性评价标准，简桂良。
    在本书出版之际，首先感谢已故植保界老前辈沈其益教授，在九十六岁高龄
时为本书作序。感谢李振声院士、郭予元院士对本书的大力支持。感谢曾士迈、
李振岐两位院士的大力推荐。感谢植物保护研究所领导将这本书作为中国农业科
学院植物保护研究所建所50周年献礼。感谢所有给此书撰写提供资料和帮助的同
志。由于编者水平所限，差错疏漏之处，敬请读者指正。
编  者
2007年5月

第十一章
棉花黄萎病菌的致病机理
    及抗病机制
**节棉花黄萎病菌的致病机理
    棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)可侵染660多种植物，主要造成寄主植物的萎
蔫。关于导致萎蔫的致病机制有多种解释，但以导管堵塞和中毒机制为主。
    将棉株的维管束组织进行解剖发现，病株导管内菌丝及孢子的大量繁殖，并刺激邻近
薄壁细胞产生胶状物和侵填体堵塞导管，使水分和养分运输发生困难，从而使棉株萎蔫。
拉克那拉亚南(1953)和Tolboys(1960)研究发现，棉花黄萎病萎蔫症状的产生是由于
木质部导管堵塞和病原菌产生的毒素共同作用的结果。李正理等(1980)对棉花黄萎病叶
的解剖，吕金殿等(1992)对中植86—1品种III级黄萎病株的根、茎、果枝及叶片的解剖
均发现不同部位维管束堵塞的情况。但有些科学家认为，正常的次生木质部的潜在输水能
力远远超过棉株的总需水量，即使将茎部维管束柱横切去一半，棉株也并不萎蔫。因此，
病菌入侵后引起的导管堵塞只是导致棉花萎蔫的部分原因，更重要的是病菌在棉株体内产
生毒素的结果。
    Talboys(1957)指出，黄萎病菌产生的毒素可能与多糖复合体有关。Porter等
(1952，1968)的研究结果支持了这一观点。马雷什娃、翟利采尔(1968)对引起棉花萎
蔫的黄萎病菌毒素物质脂类一多糖复合体进行了分析，由菌丝体内分离出来的脂类一多糖
复合体，含有蛋白质4．1％、脂类3．8％、多糖78％；而由病菌培养滤液里分析出来的上
述物质分别为3．9％、3．0％和77．5％。IWBAHOB(1962)则认为，棉花黄萎病菌可能
是在代谢过程中产生酚及其衍生物，从而导致棉花萎蔫。还有报道认为，是病菌产生的果
胶酶使维管束变褐并水解植株细胞内的中间层果胶物质，从而影响了水分的运输导致萎
蔫。Mussel(1972)认为，棉花黄萎病菌产生的毒素为有毒的蛋白质。同年，Klen指出，
这种毒素是一种酸性的蛋白质一脂多糖的复合体。美国研究人员(1976—1986)报道，番
茄、马铃薯、茄子、西瓜和橄榄等作物上分离的黄萎病菌毒素也是一种蛋白质一脂多糖的
复合体。前苏联学者改良了Garibaldi、Neilands和Zahner等的分析方法，认为棉花黄萎
病菌毒素是轮枝菌毒素，这种毒素属于氢氧类化合物，可严重破坏棉株的代谢作用，固定
二氧化碳，分解磷酸，导致棉株死亡。病原菌的致萎毒素是导致萎蔫的主要原因，而这种
致萎毒素的主要成分是蛋白质一脂多糖的复合体。毒素对敏感棉花品种的叶片和根组织细
胞膜有破坏作用，并能改变细胞膜的透性，使细胞内的钾离子和钠离子大量渗漏。用毒素
处理棉苗可获得与田间病株症状一致的萎蔫症状的现象支持了上述观点。
    我国科研工作者对棉花黄萎病菌的致萎机理也进行了多年的研究，吕金殿等1979—
  1991年对棉花黄萎病菌毒素的性质、纯化方法、致萎活性及毒素成分等进行了连续的研
  究，并得出以下结论：
    (1)黄萎病菌致萎毒素主要是酸性蛋白，是导致棉花萎蔫的重要原因；
    (2)不同棉花黄萎病菌系的致病力强弱与毒素含量密切相关，与糖蛋白的组分也有一
  定关系；
    (3)棉花黄萎病菌落叶型与非落叶型菌系的毒素存在糖基化组成的差异，是否引起落
  叶与糖基化程度有关；
    (4)用病菌滤液对21个棉花品种和粗提毒素对15个品种的抗性鉴定均获得了与土壤
  接菌一致的结果，认为毒素鉴定可用于大量品种资源的抗性初选；
    (5)用超滤和凝集素拌刀豆蛋白(con．A)做配基的sepharose4B亲和层析的方法，
  可以从病菌培养滤液中成功地纯化出糖蛋白毒素。
    章元寿等(1991，1992)研究了黄萎病菌毒素产生的条件、分离纯化方法、致萎活性
  成分、毒素中不同组成成分对棉花的致萎作用及毒素在棉花黄萎病抗性快速鉴定中的应
  用。结果表明：
    (1)菌株在Czapek's培养基中产生毒素的量与培养天数、菌丝量有关，在pH5～9
  时产生毒素的量明显增加，强致病力菌系产生的毒素量高于弱致病力菌株；
    (2)提出了用DEAE一纤维素柱层析和琼脂糖凝胶过滤层析提纯毒素的方法；
    (3)在蛋白质一脂肪一多糖毒素复合物中，造成寄主植物萎蔫的主要因子是毒素的蛋
  白成分，而脂肪和多糖没有致萎作用；
    (4)76个品种对毒素的反应和病圃中的病情指数的相关性达显著水平；
    (5)黄萎病菌毒素致使棉花萎蔫是因为毒素能使棉花体内的脱落酸含量增加，增加叶
  片气孔抗性和提高叶片细胞的离子渗透率3～4倍，毒素对叶片的游离原生质体具有
  30％～50％的损伤率。
    陈旭升等(1998，2000)研究了黄萎病菌株VD8的外泌毒素的生化特性和对棉花维
  管束的毒害作用。结果表明，黄萎病菌毒素可以诱发棉花维管束系统的堵塞，并认为这种
  导管堵塞很可能是棉花对毒素产生的一种诱导反应。
    随着生物化学分析技术的发展，越来越多的研究结果证实，黄萎病菌分泌的毒素是导
  致黄萎病的关键生化因子，但关于毒素致病的分子机制尚不明了。Dubery(1996)研究
  发现，黄萎病菌分泌的毒素与棉花细胞质膜具有高度亲和的位点。用125I标记的毒素作为
  配基(1igand)与质膜蛋白质进行亲和反应，结果表明，与子叶及下胚轴组织相比，根组
  织蛋白质显示*高的亲和比活度。125I标记的毒素与质膜位点的亲和是可以达到饱和的，
  并且是可逆的。另外，尽管感病品种与抗病品种的亲和特性没有明显的差别，但抗病品种
  每个原生质体比感病品种的亲和量要高出5倍多，其每克膜蛋白的亲和量则高出16倍
  以上。
    棉花品种对黄萎病菌抗性的差异与毒素亲和性蛋白质组分关系不大，而在于这种亲和
  性蛋白质数量的多寡。以上研究从分子水平上解释了棉花品种对黄萎病的抗性具有数量性
状的特点。并可将品种中存在的亲和性蛋白质简单地理解为致萎毒蛋白活性抑制剂。显
然，寄主中这种抑制性蛋白的量愈多，其抗病性也相对愈强；或者说抗病寄主组织比感病
等主组织可以使毒素更快更有效地失活。也可以将这种亲和性膜蛋白理解为是一种诱导抗
病性的识别分子，而这种识别分子的数量多少将直接影响棉花诱导防卫反应的速度和效
力。显然，识别分子的数量愈多，其诱导防卫反应的速度将愈快，抗病性也相对愈强，反
之则愈弱(陈旭升，2001)。
第二节棉花黄萎病菌致病的生理生化基础
    当棉花受到黄萎病菌侵染后，棉株体内新陈代谢发生变化，导致有关生化物质如蛋白
质、氨基酸、酶类、糖、激素等出现不同程度的变化。
    甘莉等(1992)研究了棉花黄萎病菌对棉叶脯氨酸含量及光合蒸腾作用的影响，结果
表明，感病品种中脯氨酸含量显著高于抗病品种(F一5．42，P<0．05)，而供测试的两个
抗病品种间及两个感病品种间差异不显著。病菌入侵棉苗后在尚未表现出外部症状时，体
内就已发生了一定的生理变化，与未接种的棉苗相比，净光合率降低34％(P<0．01)，
棉苗表现失绿、失水、萎蔫等症状的工、Ⅱ、Ⅲ级病苗与未显症的棉苗相比，净光合率下
降90％～96％，差异极显著(P<0．01)。但净光合率下降与棉苗发病程度无显著相关。
病棉苗气孔传导的变化与发病程度轻重无显著相关。接菌后病棉苗的蒸腾速率随棉苗病情
的加重而下降(P<O．01），而叶片气孔阻力有随棉苗的病情发展呈显著增加的趋势(P<
0．05)。
    李妙等(1995)研究发现，在黄萎病菌胁迫下，棉花叶片中超氧化物歧化酶(SOD)
及过氧化物酶(POD)的活性呈明显的规律性变化，抗病品种中SOD和POD活性弱，可
溶性蛋白含量高；感病品种则表现出相反的趋势。膜脂过氧化水平、SOD和POD活性均
较高，可溶性蛋白质含量较低，差异达极显著水平，同时还发现SOD和POD活性与田间
发病指数呈明显的正相关。
    李颖章等(1998)对不同抗、感病品种棉花愈伤组织在黄萎病菌毒素诱导下，体内
POD和SOD活性的变化进行了测定，结果表明，感病品种中POD活性的升高大且早于
抗病品种；感病品种SOD活性随诱导时间延长而迅速下降，耐、抗病品种SOD活性的降
低较慢；随着病菌毒素诱导时间的增加，在电泳凝胶透射扫描系统中愈伤组织中有数种病
程相关蛋白(PR蛋白)的表达。    ·