誘變育種在棉花育種上的應(yīng)用研究進(jìn)展

宋志紅　孟慶忠　張濤　李國(guó)榮

摘要 概述了誘變育種的類(lèi)型，綜述了誘變育種中常用的物理誘變和化學(xué)誘變?cè)诿藁ㄓN上的應(yīng)用及研究概況，指出了棉花誘變育種存在的問(wèn)題，并對(duì)棉花誘變育種的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 誘變育種；類(lèi)型；棉花；應(yīng)用概況；前景

中圖分類(lèi)號(hào) S330；S562.037 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）21-0040-03

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，但中國(guó)非棉花原產(chǎn)地。棉花育種的親本大部分都是從國(guó)外引進(jìn)。雖然經(jīng)過(guò)科技人員的努力攻關(guān)，在新品種選育方面取得了一定的成就，但近幾年來(lái)新育成品種的豐產(chǎn)性、品質(zhì)方面沒(méi)有新的突破。主要是我國(guó)棉花育種資料貧乏，遺傳基礎(chǔ)狹窄[1]。誘變育種可以用來(lái)創(chuàng)造遺傳性狀上的質(zhì)量和數(shù)量性狀的額外變異。獲得一些常規(guī)選擇育種方法難以獲得的新表型、新種質(zhì)、新突變，已被用來(lái)作為補(bǔ)充現(xiàn)有育種的重要工具[2]。

闡述了誘變育種的類(lèi)型，著重介紹了近年來(lái)在棉花誘變育種的物理誘變和化學(xué)誘變技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展，以供參考。

1 誘變育種類(lèi)型

誘變育種技術(shù)主要有物理誘變、化學(xué)誘變以及定點(diǎn)誘變。物理誘變?cè)诿藁ㄓN中應(yīng)用比較廣泛，化學(xué)誘變?cè)诿藁ㄓN中的報(bào)道較少，定點(diǎn)誘變是近年來(lái)生物工程研究中發(fā)展迅速的一個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)已成為分子生物學(xué)研究的常用方法，可定點(diǎn)改造目的基因而引起基因突變和性狀變異[2]。定點(diǎn)誘變是在分子水平上進(jìn)行操作，通過(guò)人為設(shè)計(jì)單個(gè)堿基的順序，產(chǎn)生變異的新性狀，以造成突變。

2 誘變育種在棉花育種上的應(yīng)用研究

2.1 物理誘變

物理誘變劑一般包括紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、離子輻射（中子、帶電粒子輻射）、其他物理誘變劑（電子束、激光、離子束注入）等，還包括近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的重離子及太空誘變[3]。在棉花誘變育種中應(yīng)用的物理誘變劑主要有γ射線(xiàn)、太空誘變、離子束注入、激光、電子束等。

棉花輻射誘變研究始于20世紀(jì)30年代，我國(guó)從60年代開(kāi)始棉花輻射誘變育種，主要以γ射線(xiàn)為輻射源對(duì)棉花誘變進(jìn)行研究，自70年代至今，我國(guó)育成了魯棉l號(hào)、新海2號(hào)、冀邯8號(hào)、太原112、運(yùn)輻885、輻射1號(hào)、鄂棉15號(hào)、皖棉l號(hào)、皖棉5號(hào)、鹽城661和90197-l等品種，其中魯棉1號(hào)在80年代初作為主栽品種在北方棉區(qū)大面積推廣種植[4]。近些年，岳潔瑜[5]研究發(fā)現(xiàn)，20 Gy60Co-γ射線(xiàn)對(duì)花粉粒的表面結(jié)構(gòu)無(wú)影響；但對(duì)花粉粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的破壞作用，內(nèi)壁變薄，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)解聚，內(nèi)含物增多；與對(duì)照（自然花粉）相比，花粉?；盍档土?8%，授粉后胚珠的DNA多態(tài)性明顯增加。在誘變后代中，M1代的變異系數(shù)最大，M3代各農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)最小。童旭宏[6]利用60Co-γ射線(xiàn)輻射棉花誘變獲得抗草甘膦棉花突變體，并研究了其抗性機(jī)理。穆國(guó)俊[7]通過(guò)50 Gy60Co-γ射線(xiàn)輻照棉花，獲得了超雞腳葉、無(wú)棉酚腺體突變體。并在DNA水平上檢驗(yàn)了遺傳的差異性。王喜源[8]用60Co-γ射線(xiàn)輻照棉花篩選出不育突變體，并利用RAPD標(biāo)記擴(kuò)增出38個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，提高了選育效率。孫君靈等[9]用γ射線(xiàn)輻照3個(gè)陸地棉和2個(gè)彩色棉種質(zhì)，獲得新的棉花種質(zhì)資源，為育種提供新的材料。吳春太[10]利用γ-射線(xiàn)照射亞洲棉，分離、鑒定出一個(gè)不育矮桿突變體，研究表明可能是由一對(duì)隱性等位基因控制，γ射線(xiàn)誘導(dǎo)不育矮桿突變主要包括部分缺失與點(diǎn)突變。

我國(guó)自1987年開(kāi)始進(jìn)行航天誘變育種，已進(jìn)行幾十次航天生物學(xué)試驗(yàn)，培育了近400個(gè)新優(yōu)良品種[11]。棉花航天誘變育種經(jīng)過(guò)近30年的研究，也取得了顯著的成效。中國(guó)農(nóng)科院棉花所經(jīng)過(guò)多年航天誘變育種研究，審定或認(rèn)定棉花新品種3個(gè)，分別為中棉所50、中297-5和中棉所42。中棉所42已在大面積推廣應(yīng)用；選育出3個(gè)正在參加國(guó)家或省級(jí)區(qū)試棉花新品系中1701、中825和早中501；同時(shí)獲得一大批優(yōu)良種質(zhì)新材料和突變體20余個(gè)，包括早熟豐產(chǎn)型、不育株、大鈴早熟型、葉型變異株、高比強(qiáng)材料和株型變異株等[12]。另外，詹有俊等[13]利用航天育種技術(shù)培育出2個(gè)棉花新品系F2-40和F2-55，結(jié)鈴性強(qiáng)，早熟性好，霜前花率高，抗枯萎病，增產(chǎn)效果顯著。還篩選出了7個(gè)具有結(jié)鈴性強(qiáng)、產(chǎn)量性狀突出，抗枯（黃）萎病，品質(zhì)較好的育種中間材料。洪 梅等[14]獲得5個(gè)海島棉新品系以及10余份新種質(zhì)材料。Li H J等[15]以通過(guò)雙向電泳和質(zhì)譜鑒定技術(shù)，對(duì)航天誘變獲得的芽黃突變體進(jìn)行分析，找到14個(gè)可信的差異蛋白點(diǎn)，在蛋白質(zhì)水平上初步探究了芽黃機(jī)理；Song M Z等[16]對(duì)航天誘變獲得的芽黃突變體VSP做了形態(tài)特征、農(nóng)藝性狀、細(xì)胞和基因水平的鑒定，結(jié)果表明葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素水平與葉綠體結(jié)構(gòu)有關(guān)，VSP是由核內(nèi)一對(duì)隱性基因控制。朱海勇等[17]系統(tǒng)地研究了航天處理后代主要農(nóng)藝性狀的變異，結(jié)果表明，棉花航天誘變后代的主要農(nóng)藝性狀變異主要表現(xiàn)在SP1代，海島棉形態(tài)變異多于陸地棉，航天誘變變異最大的農(nóng)藝性狀是鈴數(shù)。Liu J等[18]利用組織學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，研究了航天誘變獲得的光敏遺傳雄性不育突變體CRI9106的不育機(jī)制。結(jié)果表明，花粉外壁形成的缺陷是不育株不育的關(guān)鍵原因；Ma J H等[19]對(duì)航天誘變獲得的淡綠色標(biāo)記的不育系突變體研究分析表明，該性狀由1個(gè)單一的隱性基因或2個(gè)緊密連鎖的基因控制的。另外，細(xì)胞學(xué)觀(guān)察和轉(zhuǎn)錄譜分析表明，花粉粒細(xì)胞質(zhì)降解應(yīng)該是長(zhǎng)日照條件下雄性不育突變體不育的主要的原因。

離子束注入技術(shù)在棉花創(chuàng)造新種質(zhì)和改良品質(zhì)方面也獲得一定的研究成果。李立祥等[20]將N離子注入陸地棉和海島棉的成熟花份用于自交和遠(yuǎn)緣雜交，結(jié)果表明：N離子注入花粉，在M1代就可表出現(xiàn)較高頻率的有益突變。鄭冬官等[21]以棉花種子為材料，采用離子注入，選育出4個(gè)抗病蟲(chóng)、早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的新品系；穆國(guó)俊[7]利用14N重離子注入棉花種子幼胚，獲得纖維品質(zhì)突變體；程備久[22-23]等研究發(fā)現(xiàn)，采用離子注入對(duì)誘導(dǎo)棉花變異的效果很好；并且研究了離子注入棉花后，農(nóng)藝性狀的變異、酯酶和過(guò)氧化物酶同功酶的變化。黃樂(lè)平等[24]通過(guò)離子束注入技術(shù)，獲取棉花矮化突變體植株，通過(guò)分析表明，矮化突變株與原高代品系相比具有較多的遺傳差異。

其他物理誘變劑在棉花誘變育種上也進(jìn)行了探索研究。陳震古等[25]研究發(fā)現(xiàn)，激光處理棉花有促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、增產(chǎn)和提高纖維品質(zhì)的效應(yīng)；用激光水處理棉花離體子葉，對(duì)其器官分化具有促進(jìn)作用。靳 芳等[26]研究了電子束輻照對(duì)棉花花粉萌發(fā)率的影響，結(jié)果表明在300～1 000 Gy范圍內(nèi)對(duì)陸地棉花粉萌發(fā)率有不同程度的抑制作用，但在一定程度上延長(zhǎng)了陸地棉花粉生活力。

2.2 化學(xué)誘變及其在棉花育種上的應(yīng)用

與物理誘變相比，很多化學(xué)誘變劑產(chǎn)生的點(diǎn)突變比例高、染色體畸變比例低?；瘜W(xué)誘變由于不對(duì)作物基因組進(jìn)行大的調(diào)整，引起的變異穩(wěn)定且可遺傳，下一代不會(huì)出現(xiàn)嵌合體，近年來(lái)成為運(yùn)用較為廣泛的誘變技術(shù)[2]?；瘜W(xué)誘變劑是一些分子結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定的化合物，種類(lèi)有烷化劑、疊氮化合物、亞硝基化合物、堿基類(lèi)似物、抗生素、羥胺等。棉花化學(xué)誘變中經(jīng)常用誘變劑的主要是甲基磺酸乙酯（EMS）、疊氮化鈉（SA）等[27]。

化學(xué)誘變被用作為一個(gè)有效的育種附加工具，可改善棉花的農(nóng)藝性狀。國(guó)外研究中，Brown等[28]利用EMS處理棉花種子，獲得產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀都有所提高的3個(gè)棉花突變品系，認(rèn)為利用甲基磺酸乙酯（EMS）誘變，可以創(chuàng)建有益的突變體，打破基本產(chǎn)量構(gòu)成與纖維品質(zhì)之負(fù)相關(guān)的關(guān)系。Bechere等[29]用EMS3%（v/v）進(jìn)行化學(xué)誘變處理棉花種子，獲得纖維品質(zhì)突變體。Patel等[30]利用EMS誘變，獲得總共3 164個(gè)M5突變系，篩選出157個(gè)優(yōu)良纖維品質(zhì)的突變系；Bechere等[31]通過(guò)2.45%EMS處理棉花種子，選育出一個(gè)突變體，該突變體籽棉可紡纖維棉被去除后，種子上僅附著少量的短纖維，具有軋棉速度快且耗能少的優(yōu)點(diǎn)。Muthusamy等[32-33]利用化學(xué)誘變技術(shù)獲得高產(chǎn)突變系，并研究了化學(xué)誘變劑EMS和NA對(duì)棉花離體莖尖產(chǎn)生的體細(xì)胞無(wú)性系變異，認(rèn)為低濃度處理棉花可以改善農(nóng)藝性狀、提高棉花抗病性。Muthusamy等[34]和Davis等[35]利用化學(xué)誘變技術(shù)，來(lái)提高油脂含量和改變油脂成分，并獲得了棉花油脂突變體。在國(guó)內(nèi)，張獻(xiàn)龍等[36]用EMS、NaN3對(duì)棉花外植體進(jìn)行誘變，獲得了多個(gè)棉花抗枯萎病耐毒細(xì)胞系，并對(duì)耐毒細(xì)胞再生植株進(jìn)行了鑒定分析。沈發(fā)富等[37]把NaN3導(dǎo)入到魯棉6號(hào)的花粉管內(nèi)，選擇出一個(gè)早熟株系，并對(duì)早熟株系進(jìn)行RAPD分析，結(jié)果表明，NaN3可以引起后代DNA序列的廣泛變異。葉春秀等[38]探索了適宜的新疆早熟陸地棉種子誘變體系，即EMS濃度為1.0%，處理2 h是最有效的處理組合，并利用SSR標(biāo)記證明了變異植株在DNA水平上發(fā)生了變異。穆國(guó)俊[7]用EMS對(duì)棉花品種冀棉20和農(nóng)大156進(jìn)行處理，獲得了棕纖維、無(wú)棉酚腺體突變體，籽指突變體，還有纖維品質(zhì)突變體，還在SSR標(biāo)記的DNA 水平上檢測(cè)驗(yàn)證了突變體的遺傳差異性。

3 存在的問(wèn)題與前景展望

利用誘變育種，有效改良了棉花諸如早熟性、株高、抗病性、纖維品質(zhì)性狀等遺傳性狀，獲得的一批品種和優(yōu)良變異品系。與常規(guī)育種方法相比，誘變育種后代的性狀穩(wěn)定快，育種周期短。但誘變育種也存在一些不足，比如存在重復(fù)性差、相當(dāng)大的隨機(jī)性、目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的調(diào)控誘變、誘變的方向和性質(zhì)難以控制、有利變異少以及需大量處理材料等。另外，定點(diǎn)誘變技術(shù)在棉花育種中還少有應(yīng)用。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)誘變技術(shù)相關(guān)理論、方法和作用機(jī)理的深入研究，結(jié)合分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)，對(duì)誘變后機(jī)體產(chǎn)生的新的基因的調(diào)控與表達(dá)，蛋白質(zhì)的合成等機(jī)理進(jìn)行深入探討。

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