棉花遺傳育種現(xiàn)狀及展望

張樹偉，馬燕斌，孫璇，吳霞，王新勝，李燕娥

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運城044000）

棉花遺傳育種現(xiàn)狀及展望

張樹偉，馬燕斌，孫璇，吳霞，王新勝，李燕娥

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運城044000）

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物，新品種的選育和應(yīng)用對我國棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。綜述了不同育種方式在棉花遺傳育種中應(yīng)用的現(xiàn)狀，指出目前我國棉花新品種選育進展緩慢，抗病蟲、抗除草劑、抗逆、高產(chǎn)、高纖維品質(zhì)、無酚棉、彩色棉等優(yōu)良品種資源缺乏，高光效、高產(chǎn)、新型抗蟲抗病等優(yōu)良基因的挖掘和利用不足。并針對性地提出必須進一步加強傳統(tǒng)育種和現(xiàn)代分子育種手段的有效結(jié)合，進行基礎(chǔ)研究和目標(biāo)育種，不斷優(yōu)化和改進育種方式，擴大我國棉花產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢，提高我國棉業(yè)的國際競爭力。

雜交育種；誘變育種；分子標(biāo)記；轉(zhuǎn)基因技術(shù)

棉花以其獨特的性質(zhì)，既可作為纖維研究的模式生物，也可因其含有豐富氨基酸而作為優(yōu)質(zhì)蛋白供給源，從而被廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的棉花育種主要以雜交育種為主，且取得了長足的進展并獲得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。但棉花品質(zhì)性狀和產(chǎn)量性狀在遺傳上呈負(fù)相關(guān)[1-2]關(guān)系，其在一定程度上制約了傳統(tǒng)育種在性狀改良上的更大突破。

隨著生物技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，利用基因工程手段可以將不同植物的基因融合在一起，可以把某一個植物的優(yōu)良性狀轉(zhuǎn)移到棉花上，或者把棉花自身的某一個不良性狀去除，從而人為地定向改變其生物性狀。這種方式可以打破物種的生殖隔離，為現(xiàn)代棉花育種以及棉花種質(zhì)資源的創(chuàng)新提供新的思路。

1 雜交育種

雜種優(yōu)勢是自然界的普遍現(xiàn)象，具有不同性狀的親本雜交產(chǎn)生的后代通常在適應(yīng)性、繁殖力、產(chǎn)量、品質(zhì)、對不利環(huán)境抵抗性等方面都有超越雙親的表現(xiàn)。因此，雜交育種在棉花遺傳育種領(lǐng)域有廣泛的利用空間。我國棉花種業(yè)研究始于20世紀(jì)20年代，到目前共經(jīng)歷了7次換種[3]，從1919年引入金字棉到建國初期種植的陸地棉品種基本都是從國外引進。到20世紀(jì)六七十年代棉花的第4次換種，才主要推廣自育雜交品種，如黃河流域中棉所7號、豫棉1號等，長江流域的鄂棉6號、泗棉3號等，結(jié)束了國外品種占主導(dǎo)地位的局面。20世紀(jì)80年代末90年代初的第6，7次換種，分子技術(shù)及基因工程技術(shù)被逐漸應(yīng)用到棉花育種并發(fā)展開來，逐漸獲得大批優(yōu)質(zhì)多抗品種，如轉(zhuǎn)基因抗棉鈴蟲品種中棉所37、中棉所38、國抗棉1號等。而從7次大規(guī)模換種可以看出，我國棉花育種發(fā)展趨勢從引進棉花種質(zhì)到自育優(yōu)良品種，從追求豐產(chǎn)到追求抗病、豐產(chǎn)、早熟、纖維品質(zhì)等多個方面兼顧，從傳統(tǒng)育種到與新技術(shù)結(jié)合育種，但無論新技術(shù)如何快速發(fā)展，雜交育種都有其天然的生物界優(yōu)勢，在過去、現(xiàn)在、未來的相當(dāng)長一段時間都會得到充分的利用。

2 誘變育種

突變是自然界生物進化的本質(zhì)來源，但生物在自然狀態(tài)下突變率極低，嚴(yán)重制約了生物進化的速度。而通過人工誘變手段則可以極大提高生物突變率，在作物品種改良上發(fā)揮重要的作用。我國作物誘變育種開始于20世紀(jì)50年代，起步雖晚，但進展較快。目前，常用的作物誘變育種方式有物理誘變和化學(xué)誘變2種。其中，物理誘變主要是輻射，如電子束、激光、紫外線、X射線、γ射線、宇宙射線等誘變?；瘜W(xué)誘變也是育種研究中常用的一種誘變因素，常用的有烷化劑、疊氮化合物、堿基類似物、亞硝基化合物等。沈法富等[4]利用棉花花粉管通道，把疊氮化鈉誘變劑直接導(dǎo)入魯棉6號子房，發(fā)現(xiàn)在合子期誘變比在種子期誘變的變異多，變異幅度更寬，并選育出早熟棉花品系OM24。

3 分子育種

分子育種在棉花上的應(yīng)用起步較晚，但成效顯著。國家“863”重大項目和“973”重大理論基礎(chǔ)項目實施以來，包括抗病蟲、抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)纖維等一系列棉花優(yōu)良品種不斷被培育出來，為棉花在經(jīng)濟作物中的地位奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3.1 分子標(biāo)記育種

分子標(biāo)記最早應(yīng)用于棉花的手段是限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）標(biāo)記，但由于當(dāng)時技術(shù)有限，方法不夠完善，僅作為試探性工作。隨著棉花DNA提取和純化技術(shù)的突破，棉花分子研究得到快速的發(fā)展。特別是20世紀(jì)90年代，美國、俄羅斯、澳大利亞等國相繼報道了棉花RFLP及RAPD的研究[5]，Tatineni[6]通過對棉花16個種間雜交后代分別進行形態(tài)學(xué)性狀分析和RAPD標(biāo)記分析，指出2種分析方法的聚類分析結(jié)果大致相同。Zhang等[7]在AFLP標(biāo)記的基礎(chǔ)上開發(fā)了cAFLP和AFLP-RGA標(biāo)記，并在陸地棉應(yīng)用中獲得了較高的多態(tài)性。陸才瑞等[8]開發(fā)了一種功能型分子標(biāo)記ISAP，該標(biāo)記基于標(biāo)記位點和基因內(nèi)含子序列的聯(lián)系，在棉花種間同樣也產(chǎn)生了較高的擴增多態(tài)性。吳大鵬等[9]、宿俊吉等[10]利用SSR分子標(biāo)記對不同棉花品種的種質(zhì)資源的遺傳多樣性進行分析，均發(fā)現(xiàn)SSR標(biāo)記具有豐富的遺傳多樣性，指出其不同標(biāo)記在輔助選擇中具有更廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 轉(zhuǎn)基因育種

我國棉花的生物技術(shù)研究起始于20世紀(jì)80年代，是繼美國之后的第2個自主研究轉(zhuǎn)基因棉花的國家。棉花轉(zhuǎn)基因技術(shù)的主要原理是利用物理、化學(xué)、生物學(xué)等方法把外源基因?qū)朊藁ɑ蚪M并使之順利表達(dá)，從而改變棉花的某些特定性狀，產(chǎn)生可遺傳的變異。目前，棉花常用的轉(zhuǎn)基因方法主要有3種：花粉管通道法、基因槍轟擊法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)法。

3.2.1 花粉管通道法花粉管通道法最早是在20世紀(jì)80年代由Zhou等[11]提出，指出小片段外源DNA雜交假說，認(rèn)為外源基因注入植物體后，雖然大部分DNA被降解，但有部分片段短小的基因以岡崎片段的形式整合到植物基因組，影響植物性狀的改變并產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳。謝道昕等[12]首次利用花粉管通道法將Bt殺蟲基因?qū)胛覈藁ㄆ贩N無毒棉、中棉12中，成功獲得了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉植株。此后許多利用花粉管通道法轉(zhuǎn)化棉花獲得轉(zhuǎn)基因棉花后代的報道也不斷出現(xiàn)[13]。

3.2.2 基因槍轟擊法基因槍轟擊法又稱微彈轟擊法，該技術(shù)在棉花中的應(yīng)用報道最早見于1990年。Finer等[14]利用粒子轟擊將攜帶潮霉素抗性的DNA導(dǎo)入陸地棉的胚性細(xì)胞，并通過組織培養(yǎng)獲得潮霉素抗性再生植株。其后，研究者們對該技術(shù)不斷試驗探索，利用多次轟擊和抗性梯度篩選來提高轉(zhuǎn)化頻率[15]；選擇適合轟擊的受體，如棉花下胚軸、莖尖分生組織、胚性愈傷組織、懸浮培養(yǎng)細(xì)胞等[16]，都取得了較好的效果。

3.2.3 農(nóng)桿菌介導(dǎo)法農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化是目前轉(zhuǎn)化機制清楚、利用最廣的一種技術(shù)。早在1987年國外就有報道，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的棉花轉(zhuǎn)化并得到轉(zhuǎn)基因植株[17-18]。

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所生物技術(shù)研究室最早于1992年利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將除草劑tfdA基因?qū)腙懙孛奁贩N晉棉7號，并成功獲得抗除草劑轉(zhuǎn)基因棉花[19]，后與中國農(nóng)科院生物中心、中國科學(xué)院遺傳所、中國科學(xué)院微生物所等單位合作，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法于1998年培育出國內(nèi)首個轉(zhuǎn)Bt抗蟲棉品種晉棉26號[20]。其后，不斷完善和優(yōu)化農(nóng)桿菌介導(dǎo)的棉花遺傳轉(zhuǎn)化體系，極大提高了棉花轉(zhuǎn)化效率，相繼獲得了20多個晉棉系列轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種[21-22]，如晉棉26號、晉棉31號、晉棉38號、晉棉44號、晉棉50號、晉棉54號、SZ01等。到目前為止，該研究室應(yīng)用比較成熟的農(nóng)桿菌介導(dǎo)棉花高效轉(zhuǎn)化流程如圖1所示。

4 展望

隨著全球水資源缺乏、極端天氣頻現(xiàn)以及我國棉花種植面積不斷減少的趨勢，育種學(xué)家在抗病蟲、耐逆（鹽堿、旱、除草劑等）、高產(chǎn)等棉花新品種選育方面還有很長的路要走[23]。目前，我國棉花遺傳育種存在的主要問題有：棉花種質(zhì)資源不夠豐富，不同棉花品種遺傳多樣性差異大，優(yōu)良的核心種質(zhì)資源缺乏；常規(guī)育種周期長，嚴(yán)重制約了新品種選育的速度；高產(chǎn)、耐逆、抗病蟲等功能基因資源有限，新型優(yōu)良基因仍有待挖掘；轉(zhuǎn)基因技術(shù)等體系不完善，許多分子機理未闡明，如何提高遺傳轉(zhuǎn)化率需要不斷探索和優(yōu)化。因此，今后我國棉花育種要取得新的突破，仍然要堅持常規(guī)育種和現(xiàn)代分子育種相結(jié)合，長期深入發(fā)掘和克隆新型優(yōu)質(zhì)基因，擴充棉花種質(zhì)資源庫，加強多學(xué)科多領(lǐng)域的協(xié)作，把各種育種技術(shù)有效地綜合利用，提高現(xiàn)代棉花育種水平。

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Exploration and Prospect of Variety Breeding Method in Cotton

ZHANG Shu-wei，MA Yan-bin，SUN Xuan，WU Xia，WANG Xin-sheng，LI Yan-e
（Institute of Cotton，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Yuncheng 044000，China）

Cotton is one of the most important economic crops in our country,the breeding and application of the new varieties is of great significance to the development of cotton industry in China.This paper summarized the general situation of cotton industry in China and the status of different breeding methods in cotton breeding and pointed out that the development of cotton breeding in China was slow, many good resources such as insect resistant,herbicide resistant,stress resistant,high yield,high fiber quality,no phenol cotton,colour cotton,and soon,were still lack.Good genes about high light efficiency,high yield,new insect resistant had not been utilized.This paper put forward traditional breeding and modern molecular breeding methods should be combined more effective,continued utilize basic research and target breeding,optimized and improved breeding methods,and expanded the advantages of cotton industry in our country to improve the international competitiveness.

hybrid breeding;mutation breeding;molecular markers;transgenic technology

S562.032

A

1002-2481（2016）01-0119-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.01.31

2015-09-23

國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項（2014ZX08010-003）；國家自然科學(xué)基金項目（31201253）

張樹偉（1987-），男，山西晉城人，研究實習(xí)員，碩士，主要從事棉花優(yōu)質(zhì)基因克隆及棉花遺傳轉(zhuǎn)化研究工作。李燕娥為通信作者。