转基因抗病棉花基因类型及原理研究进展

陆 英，蒲金基，喻群芳，谢艺贤，张 贺，漆艳香

（中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海南海口 571700）

转基因抗病棉花基因类型及原理研究进展

陆 英，蒲金基，喻群芳，谢艺贤，张 贺，漆艳香

（中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海南海口 571700）

评述了几丁质酶基因、β-1,3-葡聚糖酶基因、葡萄糖氧化酶基因和天麻抗真菌蛋白基因等抗病基因的抗病机理及其在转基因抗病棉花中的应用，并分析了抗病转基因棉花研究目前存在的问题，为进一步研究转基因抗病棉花提供方向。

棉花；转基因技术；抗病基因

棉花是世界上最主要的经济作物之一，据统计每年创造的产值有1 800亿～2 000亿美元[1]。棉花产业也是我国传统优势产业，国家统计局公布的全国棉花产量数据显示，2015年全国棉花总产量560.5×104t，为棉花种植户每年带来400亿～600亿元的直接经济收入，解决了3 000多万个就业岗位[2]。

棉花病害是阻碍我国棉花产业健康持续发展的一个重要限制因素，我国棉花每年因病害造成的产量损失为10%～20%，严重年份高达30%～50%[3]。目前，在病害综合防治措施中，化学防治虽能有效控制病害，但化学农药的长期使用会造成环境污染、对靶生物产生抗性等问题，使得化学农药的使用受到限制，生物防治技术因生防因子专化性强而制约了该技术的推广应用；使用抗病品种是最经济有效，又环保的防治措施，目前栽培品种中欠缺既丰产优质又抗病的棉花品种，远远不能满足棉花生产的需求，因此培育抗病品种才是解决棉花病害的根本途径之一。

植物基因工程的迅速发展为棉花抗病种质资源创新提供了新的思路和方法，利用基因工程技术可以打破物种间的生殖隔离，将特定的抗性基因定向转移，避免了传统育种工作的盲目性。棉花的转基因方法主要有3种：农杆菌介导法（Agrobactetium mediated genetansfer）、基因枪轰击法（Particle bombardment） 和花粉管通道法（Pollen tube pathway）。截至2014年，我国种植了390×104hm2转基因棉花，转基因棉花的采用率达到90%[4]。转入的基因有以下几种：几丁质酶基因（Chitinase，Chi）、β-1,3-葡聚糖酶基因（β-1,3-glucanase，Glu）、葡萄糖氧化酶基因（Glucose oxidase，Go）、萝卜抗真菌蛋白基因（Raphanus sativus antifungal proteins，Rs-AFPs）、天麻抗真菌蛋白（Gastrodia antifungal protein，GAFP）及几丁质酶与β-1,3-葡聚糖酶的融合基因。

1 几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因

几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因是植物防御体系中的2种防卫因子，二者具有协调增效作用。刘桂珍等人[5]利用微束激光穿刺法将几丁质酶与β-1,3葡聚糖酶的融合基因导入豫棉9号、南抗2号、新疆822等棉花品种，获得对枯黄萎病抗性较高的转基因棉花株（系）。程红梅等人[6]利用花粉管通道法将几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶基因导入棉花，成功培育出抗枯萎黄萎的转基因棉品种（系）。李莉等人[7]将来自木霉的几丁质酶基因（TvChi）利用花粉管通道法导入多个陆地棉品种（系）中，在T2代选育了30株具有较高抗黄萎病能力的棉花品种。李树诚等人[8]将菜豆几丁酶和β-1,3-葡聚糖酶基因导入棉花，成功培育出1个高抗黄萎病品系。蔡应繁等人[9]采用基因枪法和叶盘法将抗真菌的β-1,3葡聚糖酶基因和几丁质酶融合基因转入棉花基因组中，获得了抗真菌病害的转基因棉花。乐锦华等人[10]利用花粉管通道法将菜豆几丁质酶基因（BChi）与烟草β-1,3-葡聚糖酶基因（NtGlu）一并导入新疆棉花主栽品种（系）中，并进行病圃枯萎病抗病筛选，获得抗病性优良和遗传稳定的转基因棉花。吴家和等人[11]通过农杆菌介导法，将转几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶嵌合双价基因导入棉花，获得3个双抗转基因纯合系。

2 葡萄糖氧化酶基因

葡萄糖氧化酶基因通过催化B2D2葡萄糖氧化成葡萄糖酸和H2O2，诱发植物的抗病反应，还可以作为第二信使诱导植株系统抗性形成。研究表明，转Go基因的棉花对黄萎病和枯萎病的抗性具有显著提高。Murray等人[12]将Go基因转入棉花，使棉株对大丽轮枝菌产生了一定的抗菌活性。刘慧君等人[13]将Go基因转入棉花，转基因后代对炭疽病、立枯病、疫病、枯萎病和黄萎病抗性均有显著提高，部分转基因植株后代抗黄萎病性能最好。

3 天麻抗真菌蛋白

天麻抗真菌蛋白是分离自天麻的一种具有广谱抗真菌活性的蛋白质，对许多植物病原菌包括棉花黄萎病菌具有很强的抑制作用。王义琴等人[14]采用花粉管通道法将以CaMV35S启动子驱动的天麻抗真菌蛋白基因转入陆地棉，获得高抗黄萎病的转基因株系。肖松华等人[15]利用农杆菌Ti质粒介导法技术将GAFP导入陆地棉，获得抗落叶型黄萎病的棉花新种质。陈大军等人[16]将天麻抗真菌蛋白基因转入天然彩色棉主栽品种，获得既抗枯萎病又抗黄萎病的棉花品系。

4 存在的问题和展望

近年来，随着转基因技术的发展，棉花转基因方法和基因数量得到了较大拓展，获得一批又一批的转基因棉花，并且转基因棉花在生产上得到大规模商业推广和应用，获得了显著的经济效益、社会效益和生态效益，但也面临着一些问题。例如，对植物抗性机制的研究缺乏系统性，导致转基因育种存在盲目性；有利性状基因聚合的相关研究较少，而采用单一基因转化，不同品种间的表达存在差异；利用过表达启动子（35S）驱动抗逆基因高水平表达时，有可能造成畸形植株的产生；对棉花抗病品种缺乏系统性鉴定筛选，对棉花抗病性状标准的系统性研究较少，导致优质品种在后期材料筛选中被遗漏掉；外源抗逆性基因能否在受体棉花材料中稳定表达，以及能否在后代中稳定遗传的研究较少；外源基因在后代中出现基因丢失、基因沉默等现象，通过消除DNA甲基化、构建表达载体时，使用同源性较低的序列、选用具有组织和发育特异性调控作用的增强子、强启动子，利用特异性重组系统实现外源基因共整合，诱导型启动子能有效提高外源基因的表达等策略，减少基因沉默现象的发生。

[1]Kumriar，Sunnichanvg，Dasdk.High-frequency so matic embryo production and maturation into normal plantsin cotton（Gossypium Hirsutum） through Metabolic Stress[J].Plant Cell Rep，2003（21）：635-639.

[2]张胜昔，孟艳艳，冯常辉.棉花抗黄萎病转基因育种研究进展 [J].湖北农业科学，2013，52（23）：5 673-5 675.

[3]刘方，王坤波，宋国立.中国棉花转基因研究与应用[J].棉花学报，2002，14（4）：249-253.

[4]James C.Global status of commercialized biotech/GM crops in 2014[J].ISAAA，2015，35（1）：1-14.

[5]刘桂珍，蓝海燕.利用激光微束穿刺法获得抗黄萎病转基因棉花的研究 [J].中国激光，2000，27（3）：279-283.

[6]程红梅，简桂良，倪万潮，等.转几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶基因提高棉花对枯萎病和黄萎病的抗性 [J].中国农业科学，2005，38（6）：1 160-1 166.

[7]李莉，曲延英，陈全家.新疆陆地棉转木霉几丁质酶基因棉花的初步筛选 [J].新疆农业科学，2005，42（3）：178-180.

[8]李树诚，蔡仁盛.利用基因工程技术培育新疆棉花抗病抗虫新品种 [J].新疆农业科学，1999，36（2）：60-62.

[9]蔡应繁，叶鹏盛，江怀仲，等.抗真菌基因导入棉花创造高抗黄萎病材料研究 [J].西南农业学报，2000，13（4）：45-49.

[10]乐锦华，祝建波，崔百明，等.利用目的基因转化技术培育棉花抗病新品种 [J].石河子大学学报，2002，6（3）：173-178.

[11]吴家和，张献龙，罗晓丽，等.转几丁质酶和葡聚糖酶基因棉花的获得及其对黄萎病的抗性 [J].遗传学报，2004，31（2）：183-188.

[12]Murray，Llewellyn，Peacock，et al.Isolation of the glucose oxidase gene from Talaromyces flavusand characterisation of its role in the biocontrol of Verticillium dahliae[J].Current Genetics，1997，32（5）：367-375.

[13]刘慧君，简桂良，邹亚飞，等.Go基因导入对棉花农艺性状及抗病性的影响 [J].分子植物育种，2003（6）：669-672.

[14]王义琴，陈大军，危晓薇，等.天麻抗真菌蛋白基因（GAFP）转化彩色棉的研究 [J].植物学通报，2003，20（6）：703-712.

[15]肖松华，赵君，刘剑光，等.转天麻真菌蛋白基因提高棉花对黄萎病抗性 [J].作物学报，2016，42（2）：212-221.

[16]陈大军，简桂良，李仁敬，等.转天麻抗真菌蛋白基因彩色棉新品系抗枯黄萎病研究 [J].分子植物育种，2003（5/6）：673-676.

Advances of Research on Gene Types and Principles of the Transgenic Diseases Resistant Cotton

LU Ying，PU Jinji，YU Qunfang，XIE Yixian，ZHANG He，QI Yanxiang
（Environment and Plant Protection Institute，Chinese Academy of Tropical Agriculture Science，Haikou，Hainan 571700，China）

The mechanisms of several important diseases resistant genes about chitinase，β-1,3-glucanase，glucose oxidase，gastrodia antifungal protein and theirapplications indevelopingtransgenic diseases resistantcotton are summarized.Meanwhile，the existing problems and developing tendency of the transgenic resistant cotton are analyzed and discussed，provide the direction for further research on transgenic diseases resistantcotton.

cotton；transgenic technology；diseases resistantcotton

S562

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.11.044

1671-9646（2016）11b-0054-02

2016-09-26

公益性行业（农业）科研专项经费“南繁区生物安全监测预警及控制关键技术研究与示范”（201403075）。

陆 英（1976—），女，博士，副研究员，研究方向为植物病理学。