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遗传多样性与作物病虫害持续控制

遗传多样性与作物病虫害持续控制

作者:朱有勇
出版社:科学出版社出版时间:2007-10-01
开本: 16开 页数: 445
本类榜单:农业/林业销量榜
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遗传多样性与作物病虫害持续控制 版权信息

  • ISBN:9787030200464
  • 条形码:9787030200464 ; 978-7-03-020046-4
  • 装帧:暂无
  • 版次:第1版
  • 册数:暂无
  • 重量:暂无
  • 印刷次数:1
  • 所属分类:>

遗传多样性与作物病虫害持续控制 本书特色

本书是研究遗传多样性持续控制作物病害理论和实践的专著。全书共分12章,主要内容包括遗传多样性研究的相关分子生物学技术、病原微生物致病性研究方法、作物抗病基因多样性、植物病原物的致病相关基因、遗传多样性优化品种搭配的应用研究、遗传多样性持续控制作物病害技术的示范推广等。

遗传多样性与作物病虫害持续控制 内容简介

本书是研究遗传多样性持续控制作物病害理论和实践的专著。全书共分 12章,第1章简述了本领域的研究进展和发展趋势;第2、3、4章主要介绍了遗传多样性研究的相关分子生物学技术、研究方法和田间试验研究方法;第 5、6、7章简述了抗病基因、致病相关基因及遗传多样性研究;第8、9章探讨了遗传多样性控制病害的遗传学和生态学基础;第10、11、12章介绍了遗传多样性品种搭配、种植模式的应用研究和技术示范推广。
本书内容广泛,从应用基础研究到示范推广,从实验室研究、田间试验到大田推广,较系统地介绍了遗传多样性控制作物病害的原理和方法,可供生物多样性、农业生物多样性、植物病理学、植物保护学、遗传多样性、作物栽培学、作物育种学和生物技术等专业的科研工作者,高等农业院校相关专业的教师、研究生、本科生,以及农业技术人员参阅。

遗传多样性与作物病虫害持续控制 目录

前言
1 绪论
1.1 生物多样性与农业生物多样性
1.2 农业的可持续发展与农作物病害的持续控制
1.3 遗传多样性与植物病害的持续控制
2 遗传多样性研究的相关分子生物学技术
2.1 dna限制性片段长度多态性(rflp)技术
2.2 随机扩增多态性dna(rapd)技术
2.3 微卫星(ssr)技术
2.4 单链构象多态性(sscp)技术
2.5 扩增片段长度多态性(aflp)技术
2.6 caps标记技术
2.7 rga-pcr技术
2.8 mrna差异显示技术(ddrt-pcr)
2.9 候选抗病基因技术
2.10 生态芯片技术
2.11 rep-pcr技术
2.12 营养亲和群(vcg)技术
2.13 核糖体dna基础的pcr技术
2.14 无毒基因标记技术
3 病原微生物致病性研究方法
3.1 稻瘟病菌生理小种鉴定方法
3.2 小麦条锈菌生理小种鉴定方法
3.3 马铃薯免疫病菌生理小种复写方法
3.4 玉米大斑病菌生理小种鉴定方法
3.5 根结线虫生理小种鉴定方法
3.6 水稻白叶枯病菌生理小种鉴定方法
4 遗传多样性控制作物病害的田间试验研究方法
4.1 常用的田间试验方法
4.2 田间试验误差
4.3 田间试验的常用设计
4.4 植物病原物的田间接种方法
4.5 田间试验的观察和记载
4.6 田间试验资料的统计分析
4.7 水稻遗传多样怀控制稻瘟病田间试验设计方案举例
4.8 sas统计软件遗传多样性控制病害中的应用
5 作物抗病基因多样性
5.1 作物抗病
5.2 水稻抗稻瘟病基因的多样性
5.3 植物非寄主抗性研究
5.4 麦类作物抗病基因多样性
5.5 茄科作物抗病基因多样性
6 植物病原物的致病相关基因
6.1 植物病原菌基因组研究概述
6.2 植物病原细菌的比较基因组学研究
6.3 植物病原物基因组中致病相关基因的分布及特点
……
7 病原微生物群体结构的遗传多样性研究
8 遗传多样性控制病害的遗传学基础
9 遗传多样性控制病害的生态学基础研究
10 遗传多样性优化品种搭配的应用研究
11 遗传多样性优化群体种植模式的应用研究
12 遗传多样性持续控制作物病害技术的示范推广
展开全部

遗传多样性与作物病虫害持续控制 节选


    长期以来,为了满足人口增长对食物的需求,农业生产不得不追求高产、再高产的
目标,各地区先后实行了高产品种大面积种植和与其配套的化肥、农药高投入等高产措
施。毋庸置疑,高投入、高产出的现代生产模式,为满足人类不断增长的食物需求做出
了巨大的贡献。但是,单一品种的长期大面积种植、高产品种遗传背景的日益狭窄化,
以及农药、化肥的不合理使用等,使农田遗传多样性的丰度和生态稳定性严重降低,不
仅造成大量作物遗传资源的丧失,而且加大了对病原菌的定向选择压力,加速了寄生适
合度强的生理小种上升为优势种群,导致品种抗性“丧失”,作物抗逆性降低,主要病
害流行周期越来越短,次要病害纷纷上升为主要病害。品种单一化种植导致作物病害暴
发成灾的事例在历史上不胜枚举,是现代农业生产中的潜在危机。
    追溯世界农业发展的历史,依赖化学农药控制作物病害的时间还不足百年,那么,
在几千年的传统农业生产中,是什么因素发挥了对作物病害持续控制的重要作用?几万
年的原始森林至今仍郁郁葱葱,生生不息,又是什么因素使其抵御了植物病害的侵袭?
迁思回虑,作物品种多样性无疑是漫长的传统农业生产中对病害持续控制的重要因素之
一;回首审视,生物多样性与生态平衡无疑是保持原始森林生生不息的重要原因之一。
    早在1872年,达尔文就观察到小麦品种混种比种植单一品种产量高、病害轻。20
世纪80年代以来,德国、丹麦、波兰采用大麦品种混合种植的方法,成功地控制了大
麦白粉病的大面积流行;美国进行了小麦品种混合种植控制锈病的深入研究,获得了明
显的防治效果;印度尼西亚、菲律宾、越南、泰国等一些国家,进行了水稻品种多样性
混栽试验,有效地降低了水稻真菌病害和病毒病害的发病率。在我国,千百年来农民就
有多品种混栽混收的习俗。云南、四川等地高寒山区的农民,年年在他们的稻田中混合
种植多个水稻品种,以抵御各种各样的气象灾害和生物灾害,获得了稳定的收成。持续
了上千年的轮作复种、问作套种是我国传统农业技术中的瑰宝,为我们研究农业生物多
样性的利用和保护积累了厚实的科学底蕴,也为我们探索利用遗传多样性控制作物病
害、促进可持续农业的发展提供了极为重要的启示。1996年,我们提出了利用作物遗                                                                                                      
传多样性持续控制病害的设想,即应用生物多样性与生态平衡的原理,合理实施作物品
种多样性时空配置和种植,增加农田遗传多样性的丰度,改善农田微生态环境,实现作
物病害的持续控制,促进农业的可持续发展。该计划于1997年获亚洲发展银行资助,
1998年获云南省科技攻关项目资助,1999年获国家“863'’计划资助,2001年获国家
高技术推进项目和云南省重点基金项目资助,2003年获全球环境基金项目的资助,
2005年获国家“973'’项目资助。
    多年来,我们得到了国际、国内及社会各界的大力支持和帮助,系统地开展了水
稻、小麦、玉米、马铃薯、大麦、蚕豆等作物的遗传多样性和物种多样性控制病害的研
究工作。项目组以水稻遗传多样性控制稻瘟病为切入点,采用分子生物学技术和植物病
理学研究技术,从分子水平、细胞水平、个体水平、群体水 平等不同层面,研究品种与

品种之间、品种与病原菌之间的内在联系和相互作用的分子基础,探索水稻遗传多样性
控制稻瘟病的基本规律,构建品种搭配、群体结构和种植模式的技术参数,制定推广应
用的技术规程,创建水稻遗传多样性控制稻瘟病的理论和技术体系,并进行大面积的示
范推广,有效地减轻了稻瘟病危害,减少了化学农药的施用,提高了水稻的产量和质
量。根据研究结果撰写的学术论文“遗传多样性控制水稻病害”,于2000年在英国的
《自然》杂志作为封面文章全文发表。同期的《自然》杂志和2000年8月18日出版的
美国《科学》杂志,同时给予了高度评价和报道。继而,美国《纽约时报》、英国《泰
晤士报》、《独立报》、法国《世界报》、澳大利亚《新报》、香港《大公报》和我国的
《科学时报》等新闻媒体,也相继进行了报道和评述。近年来,我们在国内外学术刊物
上发表相关研究论文100余篇,得到了国内外学术界的普遍认可。
    随着研究的深入,我们发现利用生物多样性控制作物病害的内容极为丰富,规律和
现象极为普遍,机制极为深奥,其研究已涉及植物病理学、植物病害流行学、生物防治
学、植物保护学、农业昆虫学、分子生物学、生物化学、生态学、遗传育种学、生物信
息学、作物栽培学、农业气象学、植物营养学、农药学、生物统计学等学科。因此,阐
明其规律和机制远不是研究组近期所能完成的,需要更多感兴趣的科学家或科技工作者
共同努力,从不同的角度揭示该自然规律。因此,为了便于同行之间的交流,我们把前
一阶段关于遗传多样性控制病害的主要研究成果、研究方法和所涉及的研究资料撰写成
《遗传多样性与作物病害持续控制》一书,希望此书能起到抛砖引玉的作用,使更多的
同行和我们一起,进一步开展该领域的研究和应用工作。
    在研究过程中,我们得到了科技部、国家自然科学基金委员会、国家发展和改革委
员会、农业部、教育部、国家生物工程研究中心、中国农业科学院、中国农业大学、复
旦大学、云南省科技厅、云南省发展和改革委员会、云南省农业厅、云南省教育厅、四
川省农业厅、四川省农业科学院、云南省农业科学院、国际水稻研究所(IRRI)、国际
植物遗传资源研究所(IPGRI)和联合国粮农组织(FAO)等单位的大力支持和帮助;
得到了李振岐院士、谢联辉院士、曾士迈院士、田波院士、郭予元院士、董玉琛院士、
陈文新院士、范云六院士、荣廷昭院士、傅廷栋院士、卢永根院士、程序教授、刘旭研
究员、夏敬源研究员、赵学谦研究员、卢宝荣教授、彭友良教授、张福锁教授、陈万权
研究员、吴孔明研究员、涂建华研究员、毛建辉研究员、刘二明教授和许多国外学者如
Mundt C.C.博士、Mew T.H.博士、Teng P.S.博士、Leung H.博士、Devra J.博士、
Matian w.博士、Peter C.博士等专家学者的悉心指导和大力支持,在此一并予以致谢 。
    由于我们的水平有限,加之该研究领域交叉学科较多,书中难免存在错漏之处,望
同行专家和读者不吝批评指正。
    朱有勇
2007年1月1日于昆明

5作物抗病基因多样性
    选育和利用抗病品种是防治作物病害*经济、*有效的措施,因此优质、高抗、高
产品种往往能够得到大面积的推广和应用,但是单一品种大面积种植也带来了一系列的
问题,如品种抗性丧失、病害流行周期缩短、作物抗病基因多样性丧失等,这些都已经
成为现代农业可持续发展的主要障碍。利用遗传多样性持续控制作物病害,就是将具有
抗病基因多样性的不同品种进行混合间栽,从而减轻作物对病原菌的选择压力,延长抗
病品种的使用寿命,达到持续控制病害的目的。因此,深入研究作物种质资源的抗病
性,是合理利用抗病基因多样性控制病害的前提和基础。
    本章将对主要农作物抗病基因研究进行综述。
5.1作物抗病基因研究概况
5.1.1  植物的抗病性
    植物在其生长发育过程中常常受到不同病原物如真菌、细菌、病毒及线虫等的侵
染,表现出抗病或感病反应。植物在和病原物长期的相互作用、相互选择和协同进化过
程中,逐渐获得了一系列复杂的防御机制来保护自己,例如,可以产生用于阻止病原菌
生长的细胞壁成分;合成小分子抑菌物质,如酚类化合物、植保素等;诱导产生各种病
程相关(pathogenesis related,PR)蛋白质,如几丁质酶、葡聚糖酶,蛋白酶抑制剂
等;各种活性氧的释放以及产生过敏性反应(hypersensitive response,HR)等。与抗
病性相关的植物形态结构和生理生化特征统称为植物抗病表型,一般包括三种方式。其
一,从抗病性基因数量的角度,可将其分为垂直抗性和水平抗性。垂直抗性往往是由单
基因控制,针对一个或少数几个小种,所以又称为单基因抗性或小种专化性抗性,包括
显性、部分显性和隐性等类型;水平抗性一般是通过多个抗性基因共同起作用,往往能
抗较多的小种,所以这种抗性又称为多基因抗性或非小种专化性抗性,即广谱抗性。其
二,从抗病基因表达的角度,植物的抗病性可分为组成型表达抗性和诱导型表达抗性。
组成型表达的抗病基因表达量一般很低,且不受病原物或外界其他胁迫所诱导;而诱导
型抗病性,其抗病基因的表达受病原物侵袭所诱导,而且往往也受其他逆境如伤害、
黑暗等所诱导。其三,从寄主植物对病原菌反应的角度,分为过敏性反应的抗病性
和无过敏性反应的抗病性。过敏反应是植物受病原菌侵染后,细胞、组织快速死亡
的现象,是植物*常见的抗病表现形式,这种组织快速死亡产生的生化物质有效地
抑制了病原菌的进一步侵染,从而使寄主对病原菌产生抗性,但并不是所有的抗病
反应都会表现过敏性反应。尽管如此,多数研究者更倾向于认为HR是植物抗病反应
的重要标志,寄主植物对病原物的非亲和小种或非自身病原物都可以产生HR。过敏
性反应激发整株植株的非专化性抗病性称为系统获得抗性(systemic acquired resist—
ance,SAR)。根据基因对基因学说,在寄主植物同病原物互作的过程中,过敏性反
应的产生依赖于植物抗病基因产物与病原菌无毒基因(avirulence,Avr)产物的识别
和互作。对一些抗病基因,如Pto、Pr厂等的过量表达,转基因植株即使在没有相应
病原物的条件下也能产生HR或SAR,从而获得相对的广谱抗性。另外,在植物界
中还存在这样的抗病反应,即一种病原物可侵染某种植物,但不能侵染其他植物,
这种抗病反应称为非寄主抗性。
5.1.2  植物抗病基因的克隆
    植物对病原菌产生抗病反应是一个十分复杂的过程,对抗病基因及其相应病原菌的
深刻解析无疑是对这一复杂过程认识的重要环节,因此抗病基因的克隆对认识植物抗病
的分子机制意义重大。而克隆基因按途径的角度可分为两种,即正向遗传学和反向遗传
学。前者也就是通常所说的“功能性”克隆(functional cloning),其以目标基因所表
现的功能为基础,通过鉴定基因的产物或某种明显的表型突变等信息合成寡核苷酸探
针,从cDNA文库或基因组文库中筛选出编码该性状的基因,或制备相应的蛋白质抗
体从cDNA表达文库中筛选出目标基因,利用这种方法来克隆基因在水稻、烟草等植
物中已有所报道。反向遗传学方法则是以基因本身为基础,通过对其碱基序列或在基因
组中的位置、编码的氨基酸序列及结构特点来开展。我们知道,虽然目前在植物中已克
隆到了不少抗病基因,而且从其结构特征也可以将这些基因分类,然而是否同类抗性基
因在抗病过程中就一定具有类似的分子机制,不同类别的抗性基因在抗病反应中作用的
分子机制就一定不同?事实上,就所克隆的这些抗病基因而言,它们的产物结构尽管具
有类似性,但在不同程度上也存在一定的差异,这种差异在抗病分子机制中究竟起着什
么作用,我们也知道的不多,所以很难具体地把握未知基因的产物。再者,抗病基因的
表达水平往往很低,直接克隆着眼于基因编码的蛋白产物的抗病基因难以实现。20世
纪80年代以来,随着分子生物学研究技术手段的不断进步,对植物遗传的研究逐渐发
展到目前的外观性状、基因定位、基因克隆相结合的水平,并发展了一系列以植物外观
性状为基础的基因克隆方法,其中用得较广的是转座子标签(transposon tagging)、定
位克隆(positional cloning)等。
    转座子标签克隆基因是将转座子DNA插入到目的基因位点引起基因突变,实现对
目的基因的标记,进一步利用转座子DNA作为探针来筛选目的基因。在分离到玉米
AC/DS和SPM等转座子并发现这些转座子家族在其他植物中也具有转座功能后,转座
子标签系统就被广泛地用于基因的鉴定及分离。用转座子标签方法成功克隆植物抗病基
因的**例报道是玉米的Hml,该工作由Briggs研究组完成(Johal 1992),他们利用
转座子标签法在玉米中分离到各种类型的对玉米圆斑病菌(Cochliobolus car'bollul72)隐
性感病的突变株,并发现突变因子(mutator)与突变表型共分离,进一步对其他突变
体进行吸印杂交验证了Hml即为目标抗病基因。尽管Hm/并不是基因对基因的小种
专化性的抗病基因,但它能产生稳定的抗病性,因此,Hm/的成功克隆是利用转座子
标签克隆抗病基因的典范。随后利用此方法成功地克隆了烟草抗烟草花叶病毒基因N,
抗番茄叶霉病基因c户9、c 4,抗亚麻叶锈病基因L6和M,玉米的抗条锈病基因
    等。
    定位克隆又叫图位克隆(map-based cloning),该方法先是通过遗传连锁分析将控
制目标性状的基因定位到染色体上距离很近的两个分子标记之间,并以这两个分子
标记为出发点进行染色体步移(chromosome walking),构建基因位点的物理图谱,如
果目标基因被界定在特别近的两个分子标记之间,也可不必构建物理图谱,而直接
通过染色体登陆(chromosome landing)来获得目标基因,然后对目标基因进行功能
互补验证。从理论上讲,任何基因只要其控制的性状可以鉴定,都能借助该方法实
现基因的克隆。该方法*大的优点就是只要能确定基因的遗传位点,就可实现对该
基因的克隆。当然,定位克隆要依赖于高密度的分子标记图谱,因为分子图谱的标
记密度越高,目的基因界定在染色体上的距离会越小,也就更容易实现染色体步移
或染色体登陆。拟南芥、水稻等全基因组序列图的成功绘制,为定位克隆拟南芥、
水稻中的目标基因提供了十分有利的条件。应用这种方法在一些植物中已成功地克
隆了许多抗病基因,例如,大麦的抗白粉病基因Mlo,番茄的抗叶霉病基因Cf 、
抗叶斑病基因Pto、抗枯萎病基因I2南芥的抗丁香单胞杆菌基因RPS2、RPMI、
抗霜霉病菌基因RPP5,抗水稻白叶枯病基因Xa21、Xal、抗稻瘟病基因Pib、Pi-
 ,甜菜的抗线虫基因Hsl  等。
    尽管转座子标签和定位克隆的方法在植物抗病基因的克隆中用得较多,但在实际
应用中也有很大的局限性。应用转座子标签克隆抗病基因时,由于遗传变异、序列
重排和重组等引起的自发突变频率较高(8×10-。~1.5×10叫),明显高于转座子的
插入频率(10叫~106),较高的背景突变可能会掩盖转座子插入引起的突变,因而
难以筛选出正确的插入突变体;另外,转座子的插入频率和转座行为异常也会给筛
选目标插入突变体带来困难。我们知道,如果转座子活性过低,筛选和鉴定目标插
入突变体的工作量就很大;而如果转座子活性过高,虽然可增加插入目的基因的可
能性,但遗留的足迹会导致目标基因序列阅读框架移码突变,导致*终无法鉴定和
克隆基因。有的转座子在外源基因组中会失活或被甲基化修饰,从而影响其活性,
导致不能有效筛选目标插入突变体。对于定位克隆而言,抗病和感病表型鉴定的准
确性直接影响基因定位的准确程度,而病害的鉴定本身会受到人为因素、环境因素
的影响而降低准确性,尤其是某些真菌病害如稻瘟病等,从而影响基因的克隆。而
且,在基因组较大或基因组较复杂的植物中,这种克隆方法的效率也会降低,因为
植物基因组太大或基因组太复杂,就很难获得高密度的分子遗传图谱和物理图谱,
也难以将目标抗性基因界定于距离较小的两个分子标记之间,使得染色体步移的工
作量大增,甚至无法实现染色体步移。因此在克隆抗病基因的工作中,应根据实际
情况选用不同克隆方法和策略。尽管如此,随着人们对植物基因组序列的全面把握,
尤其是拟南芥基因组序列图和水稻基因组序列图的成功完成,有望在全面了解基因
组中候选R(抗病)基因的基础上,进行比较基因组克隆或候选基因克隆,并开展比
较系统的R基因功能的研究,揭示植物抗病的分子机制。



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