轉(zhuǎn)iaaM高衣分棉花種質(zhì)IF1-1雜種優(yōu)勢分析及育種應(yīng)用

劉存敬，江振興，張建宏，唐麗媛，張素君，田海燕，李興河，師樹新，崔瑞敏，張香云*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北　石家莊　050051；2.河北行政學(xué)院，河北　石家莊　050031）

轉(zhuǎn)iaaM高衣分棉花種質(zhì)IF1-1雜種優(yōu)勢分析及育種應(yīng)用

劉存敬1，江振興2，張建宏1，唐麗媛1，張素君1，田海燕1，李興河1，師樹新1，崔瑞敏1，張香云1*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050051；2.河北行政學(xué)院，河北石家莊050031）

轉(zhuǎn)iaaM（色氨酸單加氧酶基因）高衣分棉花種質(zhì)已經(jīng)培育出來，但應(yīng)用于育種研究較少。我們利用轉(zhuǎn)iaaM高衣分棉花種質(zhì)IF1-1做父本、16個(gè)陸地棉品種（系）做母本，分別配制雜交組合，檢測了親本及其F1和F2群體的iaaM遺傳；田間調(diào)查了材料的抗病性及農(nóng)藝性狀，室內(nèi)考查了產(chǎn)量構(gòu)成因子，同時(shí)進(jìn)行了產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)分析；通過系統(tǒng)選育結(jié)合分子輔助選擇對(duì)雜交后代進(jìn)行定向培育，獲得了新的高衣分種質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了該種質(zhì)的育種應(yīng)用。結(jié)果表明：（1）FBP7-iaaM是1對(duì)顯性基因；（2）與高衣分親本IF1-1相比，F(xiàn)1和F2代衣分不具備超中與超親優(yōu)勢，但與16個(gè)母本品種（系）相比，卻能明顯提高現(xiàn)有品種（系）的衣分率；（3）F1代產(chǎn)量尤其是皮棉產(chǎn)量具備較明顯的超親優(yōu)勢，皮棉產(chǎn)量優(yōu)勢值為13.4%，這就意味著可以選擇生產(chǎn)上產(chǎn)量較高的品種與IF1-1配制雜交組合，選擇高優(yōu)勢雜交種直接利用；（4）F1和F2代抗病性明顯好于IF1-1，但與母本相比較差，所以，在雜交后代的選擇中應(yīng)注意觀察枯萎病和黃萎病的發(fā)病情況，選擇抗病性好的后代；（5）子棉產(chǎn)量的提高主要是通過鈴重和單株鈴數(shù)的增加來實(shí)現(xiàn)，皮棉產(chǎn)量的增加則是通過子棉產(chǎn)量與衣分的共同提高來完成；（6）雜交后代具備選擇出高衣分新品系的潛力。本研究實(shí)現(xiàn)了將國家科技重大專項(xiàng)獲得的第2代轉(zhuǎn)基因棉花種質(zhì)應(yīng)用于棉花育種，對(duì)提升我國生物育種水平具有重大意義。

IaaM（色氨酸單加氧酶）基因；IF-1種質(zhì)系；雜種優(yōu)勢；育種應(yīng)用

我國是棉紡織品消費(fèi)和出口大國，棉花生產(chǎn)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。利用傳統(tǒng)的育種方法曾在棉花品種改良上取得了很大成功，但是近20 a來，世界棉花品種的產(chǎn)量水平達(dá)到了一個(gè)平臺(tái)期。因此有人認(rèn)為，利用現(xiàn)有的遺傳資源和育種手段難以再大幅度提高棉花產(chǎn)量［1］。生長素（auxin）是最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素，其參與植物生長和發(fā)育的許多過程，如根和莖的發(fā)育與生長、器官衰老、維管束組織的形成與分化發(fā)育、頂端優(yōu)勢以及植物的向性生長等。吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）是英國科學(xué)家Darwin父子在金絲雀虉草胚芽鞘向光性試驗(yàn)中首先發(fā)現(xiàn)的生長素，現(xiàn)已證實(shí)其存在于高等植物以及細(xì)菌、真菌和藻類中。植物體內(nèi)的生長素類物質(zhì)以IAA為主，還有苯乙酸、吲哚丁酸和4-氯吲哚乙酸等。IaaM（色氨酸單加氧酶基因）是細(xì)菌中IAA合成途徑之一——吲哚乙酰胺途徑的關(guān)鍵酶基因，利用其轉(zhuǎn)化植物的基因工程研究和應(yīng)用在國外已經(jīng)開展多年，在國內(nèi)也有少量報(bào)道［2］。植物激素對(duì)植物的生長、發(fā)育、分化和衰老過程均起著重要的調(diào)節(jié)作用，因此，對(duì)棉纖維細(xì)胞的分化和發(fā)育也不例外。關(guān)于激素對(duì)棉纖維發(fā)育的研究表明，IAA和赤霉素（GA3）對(duì)棉纖維的分化起著重要作用［3～9］，在棉纖維發(fā)育過程中IAA和GA3誘導(dǎo)纖維的發(fā)生與伸長［8，9］。西南大學(xué)將iaaM導(dǎo)入到棉花品種冀棉14中，育成了轉(zhuǎn)基因棉花新種質(zhì)IF1-1［10］。該種質(zhì)是通過對(duì)棉花內(nèi)源生長素進(jìn)行適量上調(diào)而顯著增加單位面積種皮的纖維細(xì)胞凸起數(shù)目來實(shí)現(xiàn)明顯提高其衣分并且降低纖維細(xì)度的目的，已被列為棉花第2代轉(zhuǎn)基因新種質(zhì)材料。2012年3月河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所從西南大學(xué)引進(jìn)轉(zhuǎn)基因棉花種質(zhì)新材料IF1-1，用于育種材料的創(chuàng)制和品種選育。

本研究旨為比較完整地鑒定IF1-1新材料在河北省種植時(shí)的產(chǎn)量、抗病性、纖維品質(zhì)及其他重要性狀；獲得iaaM在棉花世代中的傳遞規(guī)律；直接利用該種質(zhì)配制雜交組合的雜種優(yōu)勢分析；篩選雜種后續(xù)世代，獲得新的轉(zhuǎn)基因高衣分種質(zhì)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

選取17個(gè)不同類型的親本用于配制雜交組合，其中，父本為轉(zhuǎn)iaaM高衣分棉花種質(zhì)新材料IF1-1（表1），由西南大學(xué)生物技術(shù)中心裴炎教授提供；母本有16個(gè)品種（系），分屬4個(gè)類型，分別是抗病材料1467系、4077系和優(yōu)選3，優(yōu)質(zhì)材料N71、1498系和04N4，適機(jī)采材料N327、8120系和08-4系，高產(chǎn)材料2011SA4、冀豐919、創(chuàng)優(yōu)棉9號(hào)、冀棉958、NJ5、2011QCA3號(hào)和中植棉2號(hào)，均由河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所分子設(shè)計(jì)育種研究室提供。試驗(yàn)材料為父本、16個(gè)母本及其配制的16個(gè)雜交組合的F1和F2植株，以及其后連續(xù)自交得到的雜交F3、F4和F5代。

1.2試驗(yàn)方法

2012年河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所自西南大學(xué)引進(jìn)轉(zhuǎn)FBP7-iaaM基因高衣分棉花新種質(zhì)IF1-1，以其為父本，以16個(gè)不同類型（高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、適機(jī)采）的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花品種（系）為母本，在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所小安舍實(shí)驗(yàn)站配制雜交組合16個(gè)；同年冬，將親本及F1代進(jìn)行南繁。2013年在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所小安舍試驗(yàn)站進(jìn)行田間種植，其中，親本及F1代種植2行/區(qū)，F(xiàn)2代群體種植8行/區(qū)，不設(shè)重復(fù)，行距0.8 m，行長8.3 m，株距0.28 m，密度4.5萬株/hm2。

采用石磊巖等［11］的5級(jí)制，在6月20日枯萎病發(fā)病高峰期和8月20日黃萎病發(fā)病高峰期進(jìn)行病株分級(jí)調(diào)查，計(jì)算親本、F1代、F2代的枯萎病和黃萎病病指（%），以病指數(shù)值確定品種的抗病類型。9月10日，調(diào)查棉花的株高、果枝節(jié)位、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)等農(nóng)藝性狀。收獲期，小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)（kg/hm2），室內(nèi)考察單鈴重（g）和衣分（%）等。根據(jù)公式，計(jì)算超中優(yōu)勢和超親優(yōu)勢：

表1　轉(zhuǎn)FBP7-iaaM高衣分材料IF1-1的外源基因Table 1　The exogenous gene of FBP-iaaM transgenic cotton line IF1-1 with high lint percentage

超中優(yōu)勢（%）=（F-MP）/MP×100〔其中，MP=（P1+P2）/2〕

超親優(yōu)勢（%）=（F-HP）/HP×100

式中，F(xiàn)、P1、P2分別為雜種、母本和父本性狀的平均值，MP為2個(gè)親本性狀的平均值，HP為高值親本性狀的平均值。

采用組織化學(xué)鑒定法，鑒定親本以及F1和F2代中的目的基因。參照J(rèn)efferson［12］的方法，配置GUS染色液。取幼苗真葉，放入96孔PCR板并置于冰上，加入GUS染色液25 μL/孔，37℃溫育4～6 h，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)藍(lán)色反應(yīng)（GUS陽性）和無顯色反應(yīng)（GUS陰性）的幼苗株數(shù)。

2014～2015年在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所小安舍試驗(yàn)站種植F3和F4代材料進(jìn)行田間鑒定，2行/區(qū)，不設(shè)重復(fù)，行距0.8 m，行長8.3 m，株距0.28 m，密度4.5萬株/hm2。采用組織化學(xué)鑒定法，鑒定參試材料中的目的基因。

利用Excel和SPSS 19.0軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。

2　結(jié)果與分析

2.1親本及雜交后代的田間表現(xiàn)

田間調(diào)查結(jié)果（表2和3）顯示，父本（IF1-1）生育期121 d左右；植株塔型，較矮；葉片中等大小、綠色，茸毛較少；鈴卵圓型；果枝節(jié)位較低，果枝數(shù)較少，單株鈴數(shù)和霜前花率中等，鈴重小，衣分高，產(chǎn)量低；在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所小安舍實(shí)驗(yàn)站枯黃萎病圃進(jìn)行抗病性鑒定，其枯萎病指為87.4、黃萎病指為36.2，高感枯萎病和黃萎病。與父本相比，16個(gè)母本普遍表現(xiàn)植株較高，果枝節(jié)位較高，果枝數(shù)較多，鈴重大，衣分低，產(chǎn)量高，抗病性好；16個(gè)雜交組合的F1和F2代均表現(xiàn)正常。

2.2FBP7-iaaM的基因遺傳分析

鑒定結(jié)果（表4）顯示，父本IF1-1全部表現(xiàn)藍(lán)色，為轉(zhuǎn)FBP7-iaaM高衣分品系；16個(gè)母本全部表現(xiàn)為不變色，為非轉(zhuǎn)FBP7-iaaM品種（系）；F1代全部表現(xiàn)藍(lán)色，F(xiàn)2代中變藍(lán)株數(shù)與不變藍(lán)株數(shù)的比例基本符合3∶1的分離比例。表明IF1-1種質(zhì)的高衣分性狀是由1對(duì)顯性基因控制的質(zhì)量性狀，即：FBP7-iaaM為顯性基因。

表2　親本、F1代、F2代產(chǎn)量性狀和產(chǎn)量的平均值與變化范圍Table 2　Mean value and variation range of the yield and yield traits from parents，F(xiàn)1and F2

表3　親本、F1代、F2代抗病性和農(nóng)藝性狀的平均值與變化范圍Table 3　Mean value and variation range of the disease resistance and agronomic traits from parents，F(xiàn)1and F2

表4　親本、F1代和F2代的組織化學(xué)鑒定結(jié)果Table 4　Tissue chemistry identification results for the parents，F(xiàn)1and F2

2.3F1代和F2代的雜種優(yōu)勢分析

雜種優(yōu)勢分析結(jié)果（表5）顯示，與高衣分親本IF1-1相比，F(xiàn)1和F2代衣分均不具備超中和超親優(yōu)勢，但與母本相比卻具有明顯優(yōu)勢，分別較母本平均衣分高3.0%和2.4%；F1代單鈴重具備明顯的超中優(yōu)勢（16.1%）和超親優(yōu)勢（4.0%），F(xiàn)2代單鈴重具備明顯的超中優(yōu)勢（12.7%）但不具備超親優(yōu)勢（-6.4%）；F1代霜前花率具備負(fù)的超中和超親優(yōu)勢（優(yōu)勢值分別為-4.5%和-5.1%），F(xiàn)2代具備負(fù)的超中優(yōu)勢（-5.9%）和較小的超親優(yōu)勢（1.1%）；F1和F2代子棉和皮棉產(chǎn)量均具備非常明顯的超中優(yōu)勢（F1代優(yōu)勢值分別為65.4%和 72.8%，F(xiàn)2代優(yōu)勢值分別達(dá)到 43.3%和47.1%），且F1代2個(gè)性狀也具備超親優(yōu)勢（優(yōu)勢值分別為7.0%和13.4%），但F2代不具備超親優(yōu)勢（優(yōu)勢值分別為-7.2%和-3.3%）；F1和F2代枯萎病指和黃萎病指均具備明顯的負(fù)超中優(yōu)勢（F1代優(yōu)勢值分別為-43.2%和-27.7%，F(xiàn)2代優(yōu)勢值分別為-29.0%和-11.6%），其中，F(xiàn)1代2個(gè)性狀超親優(yōu)勢（優(yōu)勢值分別為102.8%和91.2%）明顯，而F2代超親優(yōu)勢（優(yōu)勢值分別高達(dá)160.9%和158.1%）更加明顯；株高與果枝數(shù)的優(yōu)勢變化規(guī)律相同，F(xiàn)1和F2代2個(gè)性狀均具有明顯的超中優(yōu)勢（株高優(yōu)勢值分別為19.3%和18.6%，果枝數(shù)優(yōu)勢值分別為11.1%和7.6%），但均不具備超親優(yōu)勢（株高優(yōu)勢值分別為-1.6%和-2.1%，果枝數(shù)優(yōu)勢值分別為-2.5%和-5.4%）；F1代單株鈴數(shù)的超中優(yōu)勢（9.0%）和超親優(yōu)勢（7.3%）均表現(xiàn)為正，而F2代均表現(xiàn)為負(fù)（優(yōu)勢值分別為-3.3%和-4.3%）；F1代第一果枝節(jié)位超中優(yōu)勢（4.5%）為正、超親優(yōu)勢（-7.5%）為負(fù)，F(xiàn)2代超中優(yōu)勢（-2.5%）和超親優(yōu)勢（-13.6%）均為負(fù)值。

表5　F1代和F2代的雜交優(yōu)勢Table 5　Heterosis analysis for F1and F2of hybrid combination

綜上分析可以看出，（1）雖然與高衣分親本IF1-1相比，F(xiàn)1和F2代衣分不具備超中與超親優(yōu)勢，但與16個(gè)母本品種（系）相比，卻能明顯提高現(xiàn)有品種（系）的衣分率；（2）F1代產(chǎn)量尤其是皮棉產(chǎn)量具備較明顯的超親優(yōu)勢，皮棉產(chǎn)量優(yōu)勢值為13.4%，這就意味著可以選擇生產(chǎn)上產(chǎn)量較高的品種與IF1-1配制雜交組合，選擇高優(yōu)勢雜交種直接利用；（3）F1和F2代的抗病性均明顯好于IF1-1，但與母本相比較差，所以，在雜交后代的選擇中，要注意觀察枯萎病和黃萎病的發(fā)病情況，選擇抗病性好的后代；（4）子棉產(chǎn)量的提高主要通過鈴重和單株鈴數(shù)的增加來實(shí)現(xiàn)，皮棉產(chǎn)量的增加則是通過子棉產(chǎn)量與衣分的共同提高來完成。

2.4雜交后代的選擇與應(yīng)用

2014年篩選，2015年種植，混合法雜交后代3代材料（16份，6001～6014區(qū)和6030～6031區(qū)）的衣分變異幅度為40.1%～46.4%、鈴重為5.7～8.8 g，4代材料（15份，6015～6029區(qū)）的衣分變異幅度為34.7%～44.6%、鈴重為5.6～7.1 g；分子標(biāo)記法（GUS檢測單株）4代材料（17份，6032～6048區(qū)）的衣分變異幅度為42.7%～52.3%、鈴重為5.3～7.0 g，未GUS檢測單株3代材料（22份，6056～6077區(qū)）的衣分變異幅度為35.3%～49.8%；系譜法4代單株材料（29份，6078～6106區(qū)）的衣分變異幅度為36.4%～49.1%，5代單株材料（22份，6166～6187區(qū)）的衣分變異幅度為37.7%～47.6%。由親本材料選出3個(gè)單株，其中，6112衣分為48.4%，6114衣分為51.8%。

3　結(jié)論與討論

關(guān)于IF1-1的報(bào)道雖然較多［10，13～15］，但多為國家科技報(bào)告和學(xué)位論文中應(yīng)用，且以基礎(chǔ)研究為主。而本研究是以該種質(zhì)的育種應(yīng)用為目的，研究了該種質(zhì)的雜種優(yōu)勢利用與后代選擇。

雜交種在產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，霜前皮棉產(chǎn)量具有顯著的雜種優(yōu)勢，霜前子棉產(chǎn)量次之；衣分、鈴重和株高具有明顯的雜種優(yōu)勢，單株果枝數(shù)次之，子指不具優(yōu)勢，單株結(jié)鈴數(shù)具有負(fù)優(yōu)勢［16］。郝俊杰［17］通過比較9個(gè)親本品種的產(chǎn)量和產(chǎn)量組成因素、一般配合力和品種雜種優(yōu)勢的效應(yīng)值，發(fā)現(xiàn)中棉所41、邯鄲109、魯研棉28是雜種優(yōu)勢利用中比較好的親本，F(xiàn)1代的大多數(shù)性狀表現(xiàn)群體平均優(yōu)勢，但群體超親優(yōu)勢的比例偏低。本研究中，與IF1-1配制的雜交組合皮棉產(chǎn)量具備較明顯的超親優(yōu)勢，表明雖然轉(zhuǎn)iaaM高衣分棉花種質(zhì)IF1-1本身缺點(diǎn)較多，但作為親本材料仍然是雜種優(yōu)勢利用中比較好的親本。在棉花雜交育種后代群體中，個(gè)體間衣分變化呈正態(tài)分布，超低衣分和超高衣分個(gè)體出現(xiàn)的幾率不多［18］，但并非不能，本研究獲得了超高衣分育種材料。

雖然利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)棉花種質(zhì)的突破，但是利用這些種質(zhì)培育出突破性的棉花品種卻離不開現(xiàn)有的育種技術(shù)［19～21］。

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Heterosis Analysis and Application for the High Percentage Cotton Germplasm IF1-1 with iaaM

LIU Cun-jing1，JIANG Zhen-xing2，ZHANG Jian-hong1，TANG Li-yuan1，ZHANG Su-jun1，TIAN Hai-yan1，LI Xing-he1，SHI Shu-xin1，CUI Rui-min1，ZHANG Xiang-yun1*
（1.Institute of Cotton，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Cotton in Huanghuaihai Semiarid Area，Ministry of Agriculture，Shijiazhuang 050051，China；2.Hebei Academy of Governance，Shijiazhuang 050031，China）

The high lint percentage germplasm transgenic iaaM lines have been developing，but seldom applied to breeding.We use the high lint percentage germplasm transgenic iaaM lines IF1-1 as the male parents and 16 upland cotton varieties（lines）as female parents to construct the hybrid combinations.We have detected the iaaM hereditary in parents，F(xiàn)1，and F2populations and investigated disease resistance and agronomic traits in the field.Meanwhile through the analysis of the yield components and production statistics in these populations，the hybrid progeny was oriently bred by the means of combination pedigree breeding method and MAS.We have achieved the new germplasm with high lint percentage breeding application.The results showed that（1）FBP7-iaaM gene is dominant gene.（2）Although compared with high lint parents IF1-1，the lint in F1and F2do not have the mid heterosis and heterobeltiosis，it cansignificantlyimprovetheexistingvarieties（lines）lint percentage rate comparing with the 16 female parents varieties（lines）.（3）The F1production has heterosis compared with parents especially in the lint production，the lint yield advantage is 13.4%. That means we could directly select the high production hybrids to use by hybridizing higher yield varieties with IF1-1.（4）The resistance of F1，F(xiàn)2populations is significantly better than IF1-1，but it is worse than the female parent.So we should select the better disease-resistant in the hybrids by observing the incidence of blight and verticillium incidence.（5）By analyzing the advantages traits，indicating that the major increase cotton yield by increasing boll weight and boll number to achieve.But lint yield increasing and improving by the lint and seed cotton yield increased together.（6）The hybrids have high potentiality to selecte new lint lines.The second generation of transgenic cotton germplasm has been obtained，under the support of the national science and technology major projects.In this study，the cotton germplasm is applied to cotton breeding successfully.This is of great significance to improve the level of biological breeding in China.

IaaM；IF-1 line；Heterosis；Application

S512.1+1

A

1008-1631（2016）03-0070-05

2015-12-24

國家轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)（2014ZX08005-001-004）；河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （14226312D）；河北省財(cái)政重大專項(xiàng)（F15C2015043759）；河北省財(cái)政重大專項(xiàng)（F15C2015043752）

劉存敬（1969-），女，河北辛集人，研究員，主要從事棉花遺傳育種研究。E-mail：cunjingliu@sohu.com。

基金項(xiàng)目：張香云（1956-），女，河北行唐人，研究員，主要從事棉花育種及新品種示范推廣研究。E-mail：jimianzhang@qq.cn。