除草劑草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響

姜偉麗， 馬小艷， 任相亮， 彭 軍， 馬亞杰， 馬 艷

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000

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除草劑草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響

姜偉麗， 馬小艷， 任相亮， 彭 軍， 馬亞杰， 馬 艷*

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000

【背景】草銨膦是繼草甘膦之后又一種高效、廣譜、低毒的非選擇性除草劑，有望成為我國(guó)轉(zhuǎn)基因抗除草劑棉花的主要靶標(biāo)之一。目前，在抗草銨膦棉花的不同生育期使用草銨膦是否影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育尚不清楚?！痉椒ā糠謩e在抗草銨膦棉花子葉期、3～4片真葉期、現(xiàn)蕾期、盛花期噴施草銨膦，單次施藥量分別為900和1800 g·hm-2，每個(gè)處理小區(qū)面積25.6 m2。分析草銨膦對(duì)花粉育性、棉花生長(zhǎng)、產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響。【結(jié)果】噴施草銨膦對(duì)棉花盛花期的花粉活力、株高、莖直徑、產(chǎn)量因子、纖維品質(zhì)等各項(xiàng)參數(shù)均無(wú)顯著性影響，在子葉期使用1800 g·hm-2的高劑量濃度處理時(shí)，籽指水平顯著低于空白對(duì)照處理。【結(jié)論與意義】轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花對(duì)900、1800g·hm-2的草銨膦具有較好的耐受性。本研究為轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花的環(huán)境安全性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

草銨膦； 抗草銨膦棉； 生長(zhǎng)； 發(fā)育

近年來(lái)，由于種植轉(zhuǎn)基因作物能獲得良好的生產(chǎn)效益，其種植面積不斷上升。2013年全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積達(dá)到1.752億 hm2，種植國(guó)家達(dá)27個(gè)(James,2014)。在轉(zhuǎn)基因作物的所有性狀中，抗除草劑性狀一直占主導(dǎo)地位。其中，抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物首選草甘膦和草銨膦(glufosinate ammonium)2大滅生廣譜除草劑為對(duì)象?？共莞熟⑿誀钜呀?jīng)在轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆、棉花和油菜作物市場(chǎng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。草銨膦作為生物源除草劑雙丙氨膦的衍生物，除了具有草甘膦的某些優(yōu)點(diǎn)，如廣譜、易降解、低毒、對(duì)作物安全等外，其殺草速度更快于草甘膦，成為繼草甘膦之后又一個(gè)性能優(yōu)良的滅生性除草劑品種，也是世界第二大轉(zhuǎn)基因作物耐受除草劑(蘇少泉，2005; 張宏軍等，2002)。艾格福公司已先后選育出多種抗草銨膦轉(zhuǎn)基因作物品種，如抗草銨膦大豆、玉米、油菜、甜菜、棉花和水稻等(黃大年，1997； 吳愛(ài)忠等，2000； Oardetal.，1996)，因而草銨膦的應(yīng)用面積和使用量在逐步增長(zhǎng)。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗除草劑棉花也進(jìn)行了研發(fā)與培育，如抗2，4-D、溴苯腈、草甘膦、草銨膦等棉花品種，目前處于田間試驗(yàn)階段，隨著在轉(zhuǎn)基因抗/耐草銨膦棉花品種培養(yǎng)上的新突破，草銨膦有望成為我國(guó)棉田主要應(yīng)用的除草劑品種之一。

在轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，除草劑的噴施時(shí)期受到一定程度的限制。如在轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉的4～8葉期噴施草甘膦，會(huì)造成棉花的花藥不能正常開(kāi)裂，花粉活力降低，甚至畸形不育，以及影響棉鈴的分布和成熟期，導(dǎo)致棉鈴數(shù)量減少、產(chǎn)量下降(梅磊等，2013; Edenfieldetal.,2005； Yasuoretal.,2007)。馬小艷等(2013)研究表明，抗草甘膦棉花在花鈴期噴施草甘膦后棉花單株結(jié)鈴數(shù)和鈴重降低、產(chǎn)量下降。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)抗草銨膦棉花在不同生育期使用草銨膦對(duì)其生長(zhǎng)及花粉育性的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花品系為供試材料，研究在不同生育期噴施草銨膦對(duì)抗草銨膦棉花生長(zhǎng)發(fā)育及花粉育性的影響，以初步明確轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花對(duì)其目標(biāo)除草劑的耐受性，為轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花的環(huán)境安全評(píng)價(jià)及研發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料：轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花品系(代號(hào)2014001)，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所育種研究室提供。

供試藥劑：20%草銨膦水劑(河北威遠(yuǎn)生物化工股份有限公司)。

噴霧器具：新加坡利農(nóng)HD400背負(fù)式手動(dòng)噴霧器(新加坡利農(nóng)私人有限公司)。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，分別于2015年棉花子葉期(5月15日)、3～4片真葉期(6月3日)、現(xiàn)蕾期(6月18日)、盛花期(封行前，7月21日)噴施草銨膦，每次施藥量分別為900和1800 g·hm-2，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積25.6 m2(8 m行長(zhǎng)，4行區(qū))，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間實(shí)行定向噴霧處理，噴霧量為600 L·hm-2，噴霧周到均勻。

1.3 調(diào)查方法

花粉活力測(cè)定：當(dāng)棉花進(jìn)入初花期，對(duì)每個(gè)小區(qū)進(jìn)行花粉取樣，其中盛花期在施藥后1 d開(kāi)始取樣，取樣時(shí)間為上午9:00—11:00，每處理取花3朵，將每朵花的花粉全部剪切下來(lái)，用亞歷山大染色法(Alexander,1969)對(duì)花粉進(jìn)行染色，顯微鏡下觀察，每處理選3個(gè)視野統(tǒng)計(jì)花粉育性。鏡下顯紅色、圓形、飽滿的花粉粒為可育花粉，黃色、半透明、不規(guī)則的為敗育花粉。

花粉育性=所有視野中的可育花粉/所有視野中的所有花粉×100%。

棉花長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量調(diào)查：于9月17日每小區(qū)隨機(jī)選擇10株棉花，測(cè)量植株株高、莖直徑、果枝數(shù)、蕾鈴數(shù)等生長(zhǎng)參數(shù)；10月初，每小區(qū)均勻采收25鈴，曬干軋花后進(jìn)行室內(nèi)拷種獲得鈴重、衣分、籽指、棉籽數(shù)等參數(shù)；隨機(jī)取100 g棉纖維，由農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心對(duì)棉纖維樣品進(jìn)行品質(zhì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 13.0軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(one-way analysis，ANOVA)和Duncan′s差異顯著性分析，檢驗(yàn)不同處理區(qū)棉花生長(zhǎng)參數(shù)、品質(zhì)、花粉活性的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花育性的影響

在棉花子葉期、3～4片真葉期和現(xiàn)蕾期分別噴施草銨膦后，初花期的花粉育性均可達(dá)到92.7%以上，與空白對(duì)照無(wú)顯著差異。在3～4片真葉期和現(xiàn)蕾期噴施高濃度1800 g·hm-2草銨膦后，花粉育性分別為92.7%和93.8%，略低于低濃度處理(94.7%和96.4%)和空白對(duì)照處理(95.7%)，差異不顯著。

盛花期施藥后，分別于藥后1、2、3、4、5、6、7、10、13 d，連續(xù)9次取樣，花粉育性的變化不大，為94.4%～98.9%，與空白對(duì)照相當(dāng)(94.1%～98.8%)；在藥后5 d后，高濃度1800 g·hm-2處理的花粉育性略低于900 g·hm-2處理和空白對(duì)照處理，但差異不顯著。因此，在不同生育期噴施草銨膦對(duì)抗草銨膦棉花粉可育性的影響并不明顯。

2.2 草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花生長(zhǎng)的影響

不同時(shí)期噴施草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花生長(zhǎng)的影響見(jiàn)表1。9月中旬棉花生長(zhǎng)均穩(wěn)定處于停滯階段，各處理區(qū)棉花平均株高81.7～93.7 cm，平均莖直徑15.7～17.0 mm，平均果枝數(shù)11.7～12.8臺(tái)，與空白對(duì)照處理無(wú)顯著性差異。其中高濃度1800 g·hm-2處理的株高均略低于空白對(duì)照處理，尤其在子葉期噴施后，棉花的株高為81.7 cm，相對(duì)較低?？傮w而言，在以上4個(gè)生育期噴施草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花的生長(zhǎng)無(wú)明顯不良影響。

表1 不同時(shí)期噴施草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花生長(zhǎng)的影響

表中同列不同字母表示數(shù)據(jù)經(jīng)Duncan氏法多重比較差異顯著。

Different letters in a column represent significant differences among treatments when using a Duncan′s multiple ranging test.

2.3 草銨膦處理對(duì)抗草銨膦棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響

不同時(shí)期噴施草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花各項(xiàng)產(chǎn)量因子不存在顯著性影響。各藥劑處理區(qū)除盛花期在高濃度1800 g·hm-2處理的單株有效鈴數(shù)為16.3個(gè)外，其他各藥劑處理區(qū)的單株有效鈴數(shù)為14.3～15.9個(gè)，略低于空白對(duì)照(16.2 株·個(gè)-1)；除在3～4片真葉期噴施1800 g·hm-2的草銨膦后，轉(zhuǎn)基因棉籽指顯著低于空白對(duì)照處理外，其他時(shí)期各藥劑處理區(qū)的單鈴重、衣分、籽指和棉籽數(shù)與空白對(duì)照處理相當(dāng)(表2)。

20%草銨膦AS在不同生育期按照900、1800 g·hm-2處理后，各小區(qū)所測(cè)定的上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、馬克隆值、伸長(zhǎng)率和斷裂比強(qiáng)度等5項(xiàng)指標(biāo)值均無(wú)明顯變化，與空白對(duì)照相比，無(wú)顯著差異。因此，在不同時(shí)期噴施草銨膦對(duì)抗草銨膦棉花的纖維品質(zhì)未造成不良影響(表3)。

表2 不同時(shí)期噴施草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花產(chǎn)量因子的影響

表中同列不同字母表示數(shù)據(jù)經(jīng)Duncan氏法多重比較差異顯著。

Different letters in a column represent significant differences among treatments when using a Duncan′s multiple ranging test.

表3 不同時(shí)期噴施草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花纖維品質(zhì)的影響

表中同列不同字母表示數(shù)據(jù)經(jīng)Duncan氏法多重比較差異顯著。

Different letters in a column represent significant differences among treatments when using a Duncan′s multiple ranging test.

3 討論

草銨膦是德國(guó)艾格福公司開(kāi)發(fā)的有機(jī)磷類(lèi)除草劑，是谷氨酰胺合成抑制劑，由D-和L-草銨膦組成的外消旋體混合物，其中L-草銨膦具有植物毒性，在植物體內(nèi)會(huì)隨著蒸騰流在木質(zhì)部或韌皮部運(yùn)輸(Andersonetal.，1993； Merseyetal.，1990)。而轉(zhuǎn)基因抗草銨膦中的關(guān)鍵基因是草銨膦乙酰轉(zhuǎn)移酶基因，該基因把L-草銨膦代謝成對(duì)植物無(wú)毒的N-乙?；?L-草銨膦(Mulleretal.，2001)，N-乙?；?L-草銨膦和L-草銨膦會(huì)被運(yùn)送到植物體內(nèi)其他各組織中而沉積(Beriaultetal.，1999； Mulleretal.，2001)。

盡管草銨膦在抗草銨膦作物中會(huì)被迅速降解，但是仍會(huì)有少量的草銨膦在作物體內(nèi)(Beriaultetal.，1999； Plineetal.，1999)。高劑量使用草銨膦對(duì)轉(zhuǎn)基因作物有一定的傷害，但對(duì)產(chǎn)量影響不大。草銨膦對(duì)抗草銨膦作物安全劑量可高達(dá)2000 g·hm-2以上，而以400 g·hm-2用量就可防除一年生雜草，1000～2000 g·hm-2可防除多年生雜草，即以400～2000 g·hm-2的用量可防除一年生及多年生雙子葉、禾本科及莎草科雜草。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，20%草銨膦AS在轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花子葉期、3～4片真葉期、現(xiàn)蕾期和盛花期以900、1800 g·hm-2處理后，對(duì)花粉育性、棉花生長(zhǎng)、產(chǎn)量及纖維品質(zhì)均無(wú)顯著影響。值得注意的是，在子葉期和3～4片真葉期使用高濃度1800 g·hm-2處理后，分別對(duì)棉花株高和籽指有一定程度的影響，但最終對(duì)產(chǎn)量和纖維品質(zhì)未產(chǎn)生顯著影響。

通常黃河流域和長(zhǎng)江流域棉區(qū)的露地直播棉田在每年4月播種，播種后隨著氣溫的升高和雨量的增多，從播種到封行的一段時(shí)間內(nèi)，不斷有雜草大量萌發(fā)、生長(zhǎng)，因此，及時(shí)有效地防除該時(shí)期的雜草非常關(guān)鍵。在棉花苗期使用草銨膦，根據(jù)雜草草齡大小，可適當(dāng)選擇低、中、高劑量的草銨膦，對(duì)棉田雜草的控制期可持續(xù)30 d左右(馬小艷等，2014)，速效性好、持效期長(zhǎng)，在棉花全生育期噴施草銨膦2～3次即可有效控制整個(gè)生育期的雜草。

隨著轉(zhuǎn)基因抗草銨膦棉花的商業(yè)化種植，勢(shì)必會(huì)造成草銨膦的常年使用，對(duì)雜草的選擇性壓力也增強(qiáng)，為了避免雜草抗藥性的產(chǎn)生，應(yīng)采用綜合的雜草防治措施，盡量減少單一草銨膦的使用及其用量，同時(shí)借以傳統(tǒng)的農(nóng)藝操作，結(jié)合具有保水保土及低投入特點(diǎn)的少耕、免耕等栽培模式，可有效解決棉田中的雜草問(wèn)題，既提高了棉花的產(chǎn)量和質(zhì)量，又增加了農(nóng)民的實(shí)際收益。

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(責(zé)任編輯:郭瑩)

Effects of glufosinate on the growth and development of transgenic glufosinate-resistant cotton

Wei-li JIANG , Xiao-yan MA, Xiang-liang REN, Jun PENG, Ya-jie MA, Yan MA*

StateKeyLaboratoryofCottonBiology,CottonResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Anyang,Henan455000,China

【Background】 Glufosinate is the second most highly efficient, broad-spectrum, low toxicity and non-selective herbicide after glyphosate. It is expected to become one of the main herbicide in resistant/tolerant transgenic cotton fields in China. When spray glufosinate on transgenic glufosinate-resistant cotton at different growth stages, it is unclear whether it affects the growth and development of resistant/tolerant transgenic cotton. 【Method】 Glufosinate of 900 g (a.i)·hm-2and 1800 g·hm-2was applied at the cotyledon, 3～4 true leaf stage, squaring and bloom stages, in the transgenic glufosinate-resistant cotton field, in 2015. Each treatment area was 25.6 m2(8.0 m×3.2 m). The influence of glufosinate to pollen fertility, cotton growth, cotton yields and fiber quality among treatments were compared. 【Result】 There were no significant effects to growth and development parameters including pollen activity, plant height, stem diameter, yield and fiber quality during different cotton growth stages when exposed to 900 g·hm-2glufosinate. Plant height and seed index were affected by high concentration (1800 g·hm-2) at the cotyledon stage. 【Conclusion and significance】 It indicated that transgenic glufosinate-resistant cotton have good tolerance when exposed to 900 and 1800 g·hm-2, which are recommended doses of glufosinate. This study contributed to the assessment of environment safety of transgenic glufosinate-resistant cotton.

glufosinate; transgenic glufosinate-resistant cotton; growth； development

2016-02-26 接受日期(Accepted)： 2016-03-31

轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物新材料的育種價(jià)值評(píng)估(2016ZX08010005-007)； 轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專(zhuān)項(xiàng)(2016ZX08011-002)

姜偉麗， 女， 助理研究員， 碩士。 研究方向: 棉田雜草化學(xué)防除及轉(zhuǎn)基因棉花環(huán)境安全評(píng)價(jià)技術(shù)。 E-mail: zhsjwl@126.com

*通訊作者(Author for correspondence), E-mail: aymayan@126.com

10. 3969/j.issn.2095-1787.2016.04.009