抗黄萎病转基因棉花新品系的培育

项目名称：

抗黄萎病转基因棉花新品系的培育

项目基本信息

联系人姓名：

储成才

职务：

研究员

联系电话：

010-64806608

邮箱：

ccchu@genetics.ac.cn

所属行业基本信息

项目所处行业现状、规模、行业未来3年左右的增长潜力和预计增长速度。

棉花黄萎病是棉花生产中最主要的真菌病害之一，广泛分布在世界各主要产棉国，并有逐年加重趋势。黄萎病菌为土传真菌病害，病原菌生活力极强，侵染后造成蕾铃大量脱落，造成减产20－60%，甚至绝收，且纤维品质下降，危害极其严重，有棉花“癌症”之称。农业生产上规模化和集约化而引起的成片单一种植模式，直接降低了植物在遗传上的多样性，增加了时空上的连续性，为病原物侵染和传播提供了方便。近几年，我国每年棉花黄萎病发病面积均在4500万亩左右，重病棉田占全国植棉面积60%以上，直接经济损失约12亿元，已成为当前棉花生产实现高产、稳产的主要障碍因素，至今生产上没有找到有效防治措施。种植抗病品种是唯一经济有效的防治手段，但是陆地棉栽培种中缺乏高抗黄萎病的抗源，野生棉和海岛棉中的抗源不能直接利用，传统的育种方法已很难培育出高抗品种。利用基因工程创造新的种质资源是一种重要手段，但目前缺乏真正有效的抗性基因。

紧迫性：

由于棉田常年连作、气候变暖、雨水偏多、不同地域种子交流等诸多因素，导致枯、黄萎病发展极快，重病地块越来越多，危害逐年加重。如2003年我国长江流域棉区和黄淮流域棉区大面积发生危害，损失惨重，一般减产20%～30%，部分棉区严重的减产达60%以上，甚至绝产。我国育种专家经过几十年的努力，利用常规育种手段，获得了一些对黄萎病具有一定抗病能力的地方品种，但是由于黄萎病菌变异快、小种多，具有明显的致病力分化，针对黄萎病菌这种特性的广谱抗性棉花品种基本没有，因此就存在着在一个地区表现为抗病的品种，在另一个不同地理条件下，抗病性可能丧失。另一方面，由于陆地棉栽培种内缺乏高抗黄萎病的抗源，直接导致了我国棉花抗黄萎病育种进程缓慢，特别是抗落叶型黄萎病育种基本没有进展。此外，不同地域种子交流导致病原菌在地方上的种类越来越多，形成了复合种群。各地的棉花黄萎病菌均存在致病力的分化和提高，强致病力菌系的出现是造成棉花黄萎病逐年加重的主要原因之一。为此，解决生产中抗黄萎病资源缺乏的问题和寻找新的抗病育种方法已迫在眉睫，急需获得具有广谱和持久抗性的抗源以减轻棉花生产中黄萎病造成的巨大损失。

市场需求分析：

诞生于上世纪80年代的转基因技术经过短短三十年的发展，已成为新的科技革命的主体之一，相关研究的进展和突破也大大加速了农作物更新换代的速度及种植业结构的变革，转基因技术因此也被认为是继工业革命、计算机革命后的第三次技术革命，正推动生物经济的形成：一个基因一个产业，一项技术一项产业。正因为如此，美国、德国、瑞士等发达国家以及大型跨国公司如孟山都、杜邦-先锋、先正达、拜耳及巴斯夫等投巨资开展新基因的挖掘、转基因技术研发以及水稻、玉米、大豆等基因组研究，目的就是取得并控制基因及相关技术的知识产权。一些发展中国家更是抓住生物技术发展机遇大力发展转基因育种产业。因而，农业生物技术已成为国际科技竞争乃至经济竞争的重点，同时也是发展中国家赶超世界科技前沿的难得的突破口。2011年全球仅转基因作物种子的销售价值约为130亿美元，转基因作物商业化最终产品的年价值为1600亿美元。

当前，按种植面积计，全球82%的棉花是转基因品种，超过其他任何作物。1997年，我国批准转基因抗虫棉商业化生产伊始，美国孟山都公司转基因棉花占中国抗虫棉市场的95%，2011年我国抗虫棉面积达到390万公顷，占全国棉花总种植面积的71%，目前自主抗虫棉品种已占中国抗虫棉市场95%以上。至2011年，全国累计种植抗虫棉约2500万公顷，14年的应用，减少农药用量80多万吨，新增产值440亿元，农民增收250亿元。单因种植抗虫棉每年减少的化学农药使用量，相当于我国化学杀虫剂年生产总量的7.5％左右；棉农的劳动强度和防治成本显著下降，棉田生态环境得到明显改善。可以说转基因棉花在减少农药投入、增加产量和农民增收方面起了重要作用。

目前转基因棉花的最主要目的基因仍然为Bt抗虫基因抗虫棉，其次为Bt抗虫和EPSPS抗除草剂基因。而由于目的基因的缺乏，至今仍未有新的转基因棉花问世。

我国棉花主产地主要集中在黄河流域、长江流域和西北内陆三大老棉区，随着转基因抗虫棉的全面普及和推广，黄萎病已成为阻碍棉花可持续生产的主要障碍之一。实践表明，抗病品种的选育和推广应用是最经济有效的病害预防控制措施。目前，比较突出的品种是综合性状好、耐黄萎病的中棉所12，累计推广面积达1.6亿亩，挽回由黄萎病造成的经济损失约30亿元人民币。但迄今为止，在世界上种植的所有陆地棉品种，一直没有找到高抗黄萎病的“基因”。因此，如果我们能将生物技术改良的抗黄萎病新品种尽快推向市场，其应用前景非常广阔，并为棉花生产带来类似Bt抗虫转基因品种所带来的巨大经济效益，也将成为我国农业生物技术赶超国际前沿的重大突破口！

核心技术

项目核心技术概述。

天麻抗真菌蛋白基因GAFP（Gastrodia antifungal protein）是我们课题组从传统中药天麻中克隆的具有广谱抗真菌活性的基因，具有自主知识产权。GAFP对棉花黄萎病的致病菌Verticillium daliae具有很强的离体抗性，转GAFP基因棉花对黄萎病有很强的抗性，从而说明其在棉花抗黄萎病基因工程中有着重要的应用潜力。

项目技术的独创性、先进性及创新点。

GAFP广谱的抗真菌活性

与其他转基因研究的目的基因不一样的是，我们的目的基因是从我国传统中药材天麻中克隆的，具有自主知识产权，国外研究很少。

GAFP家族中存在抑菌活性更强的成员

我们对天麻更加深入的研究发现，天麻中存在着一个GAFP家族，该家族有四个成员。而且离体抑菌活性分析发现，前期研究得较为深入的GAFP1并不是该家族中活性最强的成员，所以我们将四个成员的前体肽和成熟肽植物表达载体分别导入了棉花，已经全部获得了转基因植株，今年在海南种植，而且部分获得纯系，计划今年夏天进入病圃进行抗性鉴定，希望筛选出抗性最强的成员进行应用。

维管特异表达启动子VSP1

棉花黄萎病是典型的土传真菌病，病菌侵染根系后，通过维管组织进行传播。为了进一步增强GAFP的抗性效果，我们实验室自主克隆了维管特异表达启动子VSP-1与GUS基因进行连接，在棉花中进行了表达验证，发现VSP1在双子叶植物中的表达是没有问题的，在根系维管组织的表达也很强。因此，用VSP1启动GAFP基因的表达，对黄萎病菌的抗性将会大大增强。具有自主知识产权的维管特异表达启动子也是本项目的重要创新点之一。

知识产权

已获得知识产权情况，包括已获得的数量、名称、类型等

“培育抗黄萎病转基因棉花的方法及其专用表达载体”，专利已授权，专利号:201010146639.2

“一种维管组织特异表达启动子VSP1及其应用”，已申请，专利申请号：201220327687.0。

未申报的知识产权，即该项技术未来可能获得的知识产权情况，包括类型、数量等。

未申报的专利有“一种通过微管组织特异性表达GAFP培育抗棉花黄萎病的方法及其专用载体”。

三年内研究开发内容计划

未来2-3年内项目技术研究开发要做的工作及预期达到的效果。

1. 对已经获得的GAFP转基因棉花继续进行分子检测和严格的自交提纯，获得抗性增强的转基因株系并申报农业部转基因植物安全评价中间试验；

2. 构建维管组织特异表达的启动子VSP1为启动元件的GAFP基因表达载体，转化棉花栽培品种并获得表达稳定的转基因株系；

3. 对获得的转基因株系进行连续1-2年、不同地域（北京、河北、江苏、河南、安徽、山西和新疆）、不同黄萎病类型的病圃鉴定，筛选出表达稳定的广谱高抗株系；

4. 对获得的GAFP稳定转基因株系进行详细的分子鉴定分析，申请农业部转基因安全评价环境释放。

预期达到的效果

1. 获得10-15个稳定而且黄萎病抗性好的转基因株系，获得农业部转基因安全评价中间试验批复；

2. 获得1-3个黄萎病高抗株系，申请农业部转基因安全评价环境释放。

如果我们能将生物技术改良的抗黄萎病新品种尽快推向市场，其应用前景非常广阔，并为棉花生产带来类似Bt抗虫转基因品种所带来的巨大经济效益，也将成为我国农业生物技术赶超国际前沿的重大突破口！