高衣分染色體片段導入系IL—10—1衣分形成的研究

摘 要：以高衣分染色體片段導入系IL-10-1以及背景親本陸地棉遺傳標準系TM-1和供體親本海島棉H7124為試驗材料，用掃描電鏡觀察了纖維初始發(fā)育的特征，測定了單粒種子成熟纖維總重量、纖維平均長度、單位長度纖維重量和纖維總根數并分析了IL-10-1高衣分形成的原因。掃描電鏡觀察的結果表明，纖維突起啟動的早晚與基因型關系密切，纖維伸長起始的早晚與衣分關系密切，較早的纖維伸長啟動有利于高衣分的形成。高衣分導入系IL-10-1單粒種子成熟纖維總質量、纖維平均長度、單位長度纖維質量和纖維總根數均極顯著高于TM-1。相關性分析和通徑分析結果證明：纖維總質量、單位長度纖維質量和纖維平均長度與衣分關系密切。因此，材料較早的啟動纖維突起和開始纖維伸長利于優(yōu)良品質和高衣分的形成。

關鍵詞：衣分；纖維初始發(fā)育；掃描電鏡；衣分形成

中圖分類號：S562.01 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2012）10-0025-06

衣分是指籽棉中纖維重量占籽棉重量的百分率，是棉花纖維產量的三要素之一。纖維產量與纖維的發(fā)育密切相關。棉纖維是由胚珠外珠被表皮細胞發(fā)育成的一種單細胞結構，其發(fā)育過程包括四個階段：纖維細胞的分化啟動（initiation）、纖維細胞的伸長或初生壁的合成（cell elongation）、次生壁的合成（cell wall deposition）與沉積以及脫水成熟。每個時期各有特點，但它們之間并沒有截然的區(qū)分界限，并存在某些重疊現象[1～3]。在開花當天至開花后3 d突起的纖維細胞發(fā)育成有紡紗價值的長絨（lint），開花后4～10 d突起的纖維細胞發(fā)育成短絨（fuzz）。Li等研究發(fā)現開花當天的纖維突起密度和開花后1 d的纖維伸長密度均與衣分和衣指正相關，與鈴重和籽指負相關。棉花纖維的初始發(fā)育與分化過程與纖維產量性狀衣分、籽指關系密切[4]。棉花纖維的初始發(fā)育與分化對衣分的形成具有重要的意義。

單粒種子成熟纖維總質量、纖維平均長度、單位長度纖維質量、纖維總根數是構成衣分的4個重要性狀[5]，這4個性狀對于研究不同衣分材料纖維的分化和發(fā)育機理以及衣分的形成具有重要的意義。

染色體片段導入系（CSILs），又稱染色體片段代換系（CSSLs），是通過高代回交結合分子標記輔助選擇建立的一套覆蓋全基因組的、相互重疊的染色體片段代換群體[6]。染色體片段導入系具有片段單一、背景一致、遺傳穩(wěn)定等特點，能夠大大降低甚至消除供體材料遺傳背景的影響[7]。

試驗以高衣分染色體片段導入系IL-10-1和背景親本TM-1、供體親本H7124為材料，排除了遺傳背景對研究結果的干擾，對纖維初始發(fā)育過程超微結構的差異進行了掃描電鏡觀察和比較，并研究了單粒種子衣分相關性狀與衣分的關系，旨在揭示IL-10-1高衣分的形成原因，為研究棉花高衣分的形成機理提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2011年4月底在德州種植陸地棉遺傳標準系TM-1、海島棉H7124，以及根據2009、2010兩年鑒定結果選擇的表現穩(wěn)定的高衣分導入系IL-10-1。IL-10-1為兩條片段的導入系，一條導入片段位于A10染色體0.0～12.8 cM位置，另一條導入片段位于D10染色體0.0～12.4 cM位置[8]。每個材料種植5行，行長10 m，田間管理同常規(guī)大田。在8月上旬將開花前1 d 的蕾用線扎住花冠，使其自交，并掛牌標記開花日期以備按日齡采樣。

1.2 試驗方法

1.2.1 衣分、衣指、籽指的測定 2011年10月，分別收取相同材料第一果枝第一、二果節(jié)正常成熟棉鈴30個，重復3次，置于網袋中曬干，用皮輥軋花機軋花，分別測定衣分、衣指、籽指。用SAS 8.0軟件進行差異顯著性分析。

1.2.2 纖維初始發(fā)育時期胚珠的掃描電鏡觀察以及纖維突起、伸長密度研究 在8月上旬開花盛期9時，用鑷子剝取3個材料第一果枝第一、二果節(jié)開花前1 d、開花當天、開花后1 d、開花后2 d、開花后3 d棉鈴，在冰盒上用鑷子剝取胚珠，每個處理剝取20～30粒，置于3%磷酸戊二醛緩沖液中0～4℃固定2 h以上，再經pH 7.4的磷酸鹽緩沖液（PBS緩沖液）沖洗，餓酸（H2OsO4）固定，PBS緩沖液沖洗，乙醇梯度脫水，醋酸異戊酯置換，CO2臨界點干燥，離子濺射噴金鍍膜，最后在JSM-6610LV （Hitachi，Japan） 掃描電鏡下觀察并照相。

1.2.3 單粒種子成熟纖維總質量、平均纖維長度、單位長度纖維質量和纖維總根數的測定 2011年10月，分別收取相同材料第一果枝第一、二果節(jié)正常成熟棉鈴，用于測定單粒種子纖維總質量、平均纖維長度、單位長度纖維質量和纖維根數，每個材料測10粒種子取平均值用于分析。平均纖維長度的測定采用中段稱重法[9]。用Y171型纖維截取器（上海第七紡織機械廠）截取1 cm纖維段，用JN-A型精密扭力天平（上海第二天平儀器廠）稱重，并數其纖維根數計算單位長度纖維質量。

FN（根）=FW×103/（X×Y）

式中FN為胚珠纖維總根數（根）；FW為纖維總質量（mg）；X為胚珠纖維平均長度（mm）；Y為單位長度纖維質量（μg/mm）。數據采用SPSS 17.0軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 衣分、衣指、籽指表現

3個材料在衣分、衣指、籽指上表現出顯著差異，高衣分導入系IL-10-1的衣分、衣指均表現穩(wěn)定且極顯著高于背景親本TM-1

2.2 纖維初始發(fā)育時期胚珠的掃描電鏡觀察以及纖維突起、伸長密度

2.2.1 開花前1 d、開花當天和開花后1 d的纖維突起 在開花前1 d，僅有H7124胚珠表面出現纖維突起，纖維突起呈點狀分布于脊突處。TM-1和IL-10-1未出現纖維突起，僅有分散的氣孔存在。說明纖維突起啟動的早晚可能與基因型關系密切。

開花當天，TM-1、H7124和IL-10-1胚珠表皮細胞均開始出現纖維突起，纖維突起呈小的半球形，顏色明亮，而非纖維突起的細胞顏色較暗且比較平滑。

開花后1 d，TM-1、H7124和IL-10-1突起呈圓球形并由脊突向珠孔端擴散，脊突和合點端突起較密集，珠孔端開始出現稀疏的纖維突起，顯示即將進入伸長期。 IL-10-1在脊突處已經出現明顯的纖維伸長，纖維伸長也是從脊突開始，延伸到合點和胚珠中部，最后到達珠孔端，而TM-1和H7124胚珠均為開始出現纖維伸長，說明胚珠較早啟動纖維伸長利于高衣分的形成。

2.2.2 開花后2 d和開花后3 d的纖維伸長 開花后2 d，TM-1、H7124和IL-10-1胚珠表面除珠孔端外纖維均開始伸長，突起擴散到珠孔端，但珠孔端纖維仍未開始伸長。

開花后3 d，TM-1、H7124和IL-10-1胚珠被伸長的纖維緊密包裹。同TM-1相比，H7124纖維最長。

2.3 TM-1、H7124和IL-10-1成熟纖維特征分析

2.3.1 衣分構成性狀考察結果 由表2可知， IL-10-1單粒種子成熟纖維總質量、平均長度、單位長度質量、總根數均極顯著高于TM-1，H7124纖維平均長度極顯著高于TM-1。

2.3.2 衣分構成性狀與衣分、衣指、籽指的相關性分析 由相關性分析結果可知，單粒種子成熟纖維總質量、纖維平均長度、單位長度纖維質量和纖維總根數與衣分、衣指表現為正相關關系，與籽指表現為負相關關系。纖維平均長度和纖維總質量與衣分的相關系數最大，分別為0.975和0.899；纖維總根數與衣分的相關系數最小，為0.773。

2.3.3 衣分構成性狀對衣分的通徑分析 由表4可知，衣分構成性狀對衣分的直接通徑系數大小依次為：纖維總質量>單位長度纖維質量>纖維平均長度>纖維根數。

纖維總質量對衣分的通徑系數最高，為0.9841，通過其他各性狀對衣分的間接通徑系數除通過纖維根數產生負向作用外，其他皆表現為正向作用，說明纖維總質量與衣分密切相關，較高的纖維總質量決定較高的衣分值。

單位長度纖維質量對衣分的直接通徑系數為0.2583，通過其他各性狀對衣分的間接通徑系數除通過纖維根數產生負向作用外，其他皆表現為正向作用，說明較高的單位長度纖維質量對高衣

①、②：H7124開花前1 d胚珠表面出現點狀纖維突起（①：脊突；②：合點）；③、④：TM-1、IL-10-1開花前1 d胚珠表面僅有分散著的氣孔存在（③：TM-1；④：IL-10-1） ；⑤、⑥、⑦、⑧：開花當天H7124胚珠表面纖維突起密度大于TM-1（⑤：H7124胚珠表面；⑥：TM-1胚珠表面；⑦：H7124脊突；⑧：TM-1脊突）；⑨：開花當天高衣分材料IL-10-1；⑩：開花后1 d IL-10-1珠孔端出現稀疏纖維突起；、：開花后1 d TM-1圓球狀纖維突起（：TM-1胚珠表面；：TM-1脊突）；、、：開花后1 d高衣分材料IL-10-1脊突處出現纖維伸長； 、：開花后2 d TM-1、高衣分導入系IL-10-1珠孔端纖維細胞突起但未開始伸長； ：開花后3 d TM-1胚珠被伸長的纖維緊密包裹；、：開花后3 d TM-1，H7124胚珠表面纖維長度比較（：TM-1；：H7124）

纖維初始發(fā)育掃描電鏡觀察結果分的形成具有重要的作用。

纖維平均長度對衣分的直接通徑系數為0.2045，其他各性狀對衣分的間接通徑系數除通過纖維根數產生負向作用外，其他皆表現為正向作用，說明纖維平均長度在高衣分的形成中起著重要的作用，這與相關性分析的結果基本一致。

纖維總根數與衣分的直接通徑系數為-0.5747，其他各性狀對衣分的間接通徑系數均表現為正向作用，說明纖維總根數與衣分相互拮抗，較多的纖維總根數不利于高衣分的形成。

注：X1：纖維總質量；X2：纖維平均長度；X3：單位長度纖維質量；X4：纖維根數。決策系數R2=0.999。3 討論

前人對棉花纖維初始發(fā)育與分化已有很多報道[10～13]，但主要側重于陸地棉或者棉種間[5，14～17]，很難排除遺傳背景的干擾。本研究以可以視為近等基因型的染色體片段導入系為材料，有利于排除與纖維發(fā)育無關的遺傳背景的干擾，探索纖維發(fā)育的本質性機理。

徐楚年等[16]對陸地棉、海島棉、中棉及草棉4個栽培種開花前后的胚珠進行掃描電鏡比較觀察，發(fā)現其胚珠在表皮細胞突起部位的先后和突起時間并沒有區(qū)別。Wendy等[15]對來自不同基因組A1、A2、AD1、AD3、C1、D3、D5、F1的野生和栽培棉品種的纖維發(fā)育比較，發(fā)現其纖維分化的起始時間也無明顯差別。董合忠等[17]對大田生長的陸地棉和海島棉等7個品種的纖維分化進行比較研究證明，纖維突起時間和開花當天F/E（胚珠上下午內細胞數與胚珠表皮細胞總數的比值）因種和品種而異。李成奇等[14]通過對陸地棉、海島棉、亞洲棉以及非洲棉的4個栽培種開花前后胚珠比較觀察，發(fā)現除亞洲棉外其他3個棉種均在開花前1 d出現纖維細胞突起，開花后1 d開始纖維伸長，認為纖維突起時間與所用材料有關。

本研究發(fā)現僅H7124在開花前1 d出現纖維突起，陸地棉和與高衣分導入系IL-10-1在開花前1 d均未出現纖維突起，開花當天才開始出現纖維突起，說明纖維突起啟動的早晚因基因型和品種不同而異。在開花后1 d僅IL-10-1脊突開始出現纖維伸長，說明纖維伸長時間早晚與衣分關系密切，或者說在開花后1 d較早的出現纖維伸長促進了導入系高衣分的形成。從開花當天、開花后1 d和開花后2 d各棉種胚珠4個部位的纖維發(fā)育狀況來看，脊突處纖維最長且密度最大，合點端和胚珠中部次之，珠孔附近纖維最短且數目最少。研究還發(fā)現，開花后3 d，各材料胚珠表面纖維迅速伸長，胚珠被伸長的纖維緊密包裹。同TM-1相比，H7124纖維最長、最細，也已反映出海島棉具有優(yōu)良品質的潛質。

劉繼華等[5]綜述了棉纖維發(fā)育與產量及品質的關系，提出單粒成熟種子纖維總質量、纖維平均長度、單位纖維長度質量、纖維總根數為構成衣分的4個重要性狀。本研究發(fā)現IL-10-1單粒種子成熟纖維總質量、纖維平均長度、單位長度纖維質量、纖維總根數均極顯著高于背景親本TM-1。H7124纖維平均長度極顯著高于TM-1，反映了IL-10-1高衣分的特點和H7124優(yōu)良品質的特點。4個構成衣分的性狀中，纖維總質量、單位長度纖維質量和纖維平均長度和與衣分的直接通徑系數均表現正效應，而纖維根數與衣分的直接通徑系數表現為負效應，說明較高的纖維總質量、單位長度纖維質量和較長的纖維平均長度利于高衣分的形成。4 結論

纖維初始發(fā)育過程中，纖維突起啟動早晚與基因型有關，而纖維伸長早晚與衣分和品質具有密切關系，纖維伸長較早的材料利于形成高衣分。較高的纖維總質量、單位長度纖維質量和較長的纖維平均長度利于高衣分的形成，而較多的纖維根數不利于高衣分的形成。這為棉花纖維分化與發(fā)育和高衣分的形成提供了理論依據。

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