棉花誘變育種研究進(jìn)展

宋志紅+孟慶忠+張濤+李國(guó)榮

摘要：簡(jiǎn)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，提出了棉花誘變育種存在的問(wèn)題，并對(duì)棉花誘變育種前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：棉花；誘變；育種

中圖分類號(hào)：S330 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）24-6324-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.002

棉花是中國(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)，新育成品種豐產(chǎn)性、品質(zhì)方面沒(méi)有新的突破。原因主要是中國(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)育種方法難以獲得的新突變、新種質(zhì)和新表型，大大豐富遺傳變異范圍，已被用來(lái)作為補(bǔ)充現(xiàn)有育種的重要工具[2]。加強(qiáng)誘變技術(shù)在棉花育種中的應(yīng)用，是擴(kuò)大棉花種質(zhì)基礎(chǔ)的一種快速、高效的方法。

1 誘變育種類型

誘變育種技術(shù)發(fā)展至今，主要有物理誘變、化學(xué)誘變以及定點(diǎn)誘變。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。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]。

2 誘變育種及應(yīng)用研究

2.1 物理誘變及其在棉花育種上的應(yīng)用

物理誘變主要是指利用輻射等物理因子誘發(fā)基因突變和染色體變異。物理誘變劑一般包括紫外線、X射線、γ射線、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、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。中國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始棉花輻射誘變育種，主要以γ射線為輻射源對(duì)棉花誘變進(jìn)行研究。自1970年代至今，中國(guó)育成了魯棉1號(hào)、新海2號(hào)、冀邯8號(hào)、太原112、運(yùn)輻885和輻射1號(hào)鄂棉15號(hào)、皖棉1號(hào)、皖棉5號(hào)、鹽城661和90197-1等品種，其中魯棉1號(hào)在1980年代初作為主栽品種在北方棉區(qū)大面積推廣種植，對(duì)中國(guó)棉花單產(chǎn)的提高起到了一定的推動(dòng)作用[4]。近些年，岳潔瑜[5]研究發(fā)現(xiàn)20 Gy 60Co-γ射線對(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，不規(guī)則且部分向內(nèi)凹陷，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)解聚，內(nèi)含物增多；與對(duì)照（自然花粉）相比，花粉粒活力降低了38%，授粉后胚珠的DNA多態(tài)性明顯增加；在誘變后代中，M3代各農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)最小，M1代的變異系數(shù)最大。童旭宏[6]利用60Co-γ射線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-射線照射亞洲棉，分離、鑒定出1個(gè)不育矮稈突變體，研究表明可能是由1對(duì)隱性等位基因控制，γ射線誘導(dǎo)不育矮稈突變主要包括部分缺失與點(diǎn)突變。

航天誘變育種起步于20世紀(jì)50年代。中國(guó)自1987年開(kāi)始，已進(jìn)行了幾十次航天生物學(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)業(yè)科學(xué)院棉花研究所經(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)培育出兩個(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等[15]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粉用于自交和遠(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)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、早熟和抗病蟲(chóng)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。程備久等[22，23]往棉花種子中注入3種離子，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)對(duì)矮化植株的SSR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)了陸地棉花粉的活力。

2.2 化學(xué)誘變及其在棉花育種上的應(yīng)用

化學(xué)誘變是通過(guò)化學(xué)誘變劑與核苷酸中的磷酸、嘌呤、嘧啶等分子直接反應(yīng)來(lái)誘發(fā)單核苷酸發(fā)生變異，產(chǎn)生新的等位基因的方法。化學(xué)誘變具有易操作、劑量易控制、對(duì)基因組損傷小、突變率高等特點(diǎn)。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，化學(xué)誘變劑種類有：烷化劑、亞硝基化合物、疊氮化合物、堿基類似物、抗生素、羥胺、呀啶等。棉花化學(xué)誘變中經(jīng)常使用的誘變劑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EMS 3%（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，該突變體子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[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。沈法富等[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，子指突變體，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 問(wèn)題與展望

利用誘變育種，有效地改良了棉花早熟性、株高、抗病性、纖維品質(zhì)性狀等遺傳性狀，獲得了一批品種和優(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。對(duì)于僅改變單一性狀而言，誘變育種不產(chǎn)生遺傳累贅。但誘變育種也存在一些不足，比如存在相當(dāng)大的隨機(jī)性，誘變的方向和性質(zhì)難以控制，重復(fù)性差，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的調(diào)控誘變，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，要成功有效地將誘變技術(shù)應(yīng)用到棉花育種中以獲得新的優(yōu)良品種，必須加強(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)合細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(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)行深入的探討。

隨著生物技術(shù)水平的不斷提高以及棉花誘變育種研究的不斷深入，相信未來(lái)的棉花誘變育種會(huì)獲得更大的突破性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張文英，邵 平.棉花遺傳多樣性研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，9（9）：1-6.

[2] 劉子瑜，黃先群，唐章林，等.馬鈴薯誘變育種研究進(jìn)展[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，23（6）：2124-2128.

[3] 杜若甫.作物輻射遺傳與育種[M].北京：科學(xué)出版社，1981.

[4] 朱乾浩，季道藩.棉花輻射誘變育種研究進(jìn)展[J].棉花學(xué)報(bào)，1997，9（3）：113-119.

[5] 岳潔瑜.N+、α粒子、60Co-γ對(duì)陸地棉花粉的誘變效應(yīng)研究及誘變后代鑒定[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[6] 童旭宏.抗草甘膦棉花突變體R1098的選育及其抗性機(jī)理研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[7] 穆國(guó)俊.棉花有益突變體的創(chuàng)制及突變性狀的分子遺傳學(xué)鑒定[D].河北保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[8] 王喜源.60Co輻照處理對(duì)陸地棉育性的效應(yīng)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[9] 孫君靈，賈銀華，潘兆娥，等.陸地棉表型性狀的誘變效果評(píng)估[A].中國(guó)棉花學(xué)會(huì)2012年年會(huì)暨第八次代表大會(huì)論文匯編[C].2012.

[10] 吳春太.一個(gè)亞洲棉不育矮稈突變體的分離鑒定及相關(guān)基因克隆[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[11] 王旭輝，趙曉梅，葉 凱，等.農(nóng)業(yè)航天誘變育種的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（23）：9575-9576，9598.

[12] 農(nóng)業(yè)部棉花遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.棉花航天誘變育種研究進(jìn)展[J].作物育種信息，2006（4）：8.

[13] 詹有俊，莊生仁，楊 濤，等.甘肅酒泉市棉花航天誘變育種成效及方法[J].中國(guó)棉花，2011，38（1）：7-9.

[14] 洪 梅，李詩(shī)林，吐?tīng)栠d·吐?tīng)柡椋?太空誘變創(chuàng)制優(yōu)異海島棉資源[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，52（7）：1308-1315.

[15] LI H J，JIANG B，F(xiàn)AN S L，et al. Proteomic analysis of a cotton virescent mutant obtained by space mutation[J].Cotton Science，2013，25（4）：345-351.

[16] SONG M Z，YANG Z G，F(xiàn)AN S L，et al. Cytological and genetic analysis of a virescent mutant in upland cotton （Gossypium hirsutum L.）[J].Euphytica，2012，187（2）：235-245.

[17] 朱海勇，鐘 敏，楊 軍，等.棉花航天誘變農(nóng)藝性狀的變異分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53（20）：4809-4811.

[18] LIU J，PANG C Y，WEI H L， et al. Data for proteomic profiling of anthers from a photosensitive male sterile mutant and wild-type cotton（Gossypium hirsutum L.）[J]. Data in Brief， 2015（4）：500-509.

[19] MA J H，WEI H L，LIU J， et al. Selection and characterization of a novel photo period-sensitive male sterile line in upland cotton[J]. Journal of Integrative Plant Biology，2013，55（7）：608-618.

[20] 李立祥，李愛(ài)青.氮離子注入棉花花粉誘發(fā)農(nóng)藝性狀變異的研究[J].激光生物學(xué)報(bào)，1997，6（3）：1160-1164，1159.

[21] 鄭冬官，方其英，黃德祥，等.離子注入在棉花育種中的誘變功效[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，21（3）：315-317.

[22] 程備久，李 展.三種離子注入棉花種子的細(xì)胞效應(yīng)[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，22（3）：189-195.

[23] 程備久，田秋元，余增亮.離子注入誘發(fā)棉花過(guò)氧化物酶同功酶及農(nóng)藝性狀變異的研究[J].棉花學(xué)報(bào)，1994（1）：41-47.

[24] 黃樂(lè)平，邵 琳，馬 盾，等.利用離子束注入技術(shù)篩選陸地棉矮化株[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，47（12）：2361-2366.

[25] 陳震古，劉小剛，孫文瑚.二氧化碳激光水預(yù)處理對(duì)棉花離體子葉培養(yǎng)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，20（1）：53-55

[26] 靳 芳，李云爽，楊喜霞，等.電子束輻射對(duì)玉米及陸地棉花粉萌發(fā)率的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（24）：164-168.

[27] 王曾珍，張 玉，白史且.植物誘變育種研究進(jìn)展[J].草業(yè)與畜牧，2009（6）：1-5，23.

[28] BROWN N，SMITH C W，HAGUE S，et al.Within-boll yield characteristics and their correlation with fiber quality parameters following mutagenesis of upland cotton，TAM 94L-25[J]. Crop Science，2015，55（4）：1513-1523.

[29] BECHERE E，MEREDITH W R，BOYKIN J C. Registration of mutant population MD15 M4 Gossypium hirsutum L. with enhanced fiber quality[J].Journal of Plant Registrations，2013（2）：216-219.

[30] PATEL J D，WRIGHT R J，AULD D，et al. Alleles conferring improved fiber quality from EMS mutagenesis of elite cotton genotypes[J].Theoretical and Applied Genetics，2014，127（4）：821-830.

[31] BECHERE E，AULD D L. Registration of a tufted-naked seed upland cotton germplasm，9023n4t[J].Journal of Plant Registrations，2013，8（1）：63-67.

[32] MUTHUSAMY A，VASANTH K，JAYABALAN N. Induced high yielding mutants in cotton（Gossypium hirsuthum L.）[J]. Mutation Breeding Newsletter & Reviews，2005（1）：6-8.

[33] MUTHUSAMY A，JAYABALAN N. Radiation and chemical mutagen induced somaclonal variations through in vitro organogenesis of cotton（Gossypium hirsutum L.）[J].International Journal of Radiation Biology，2014，90（12）：1229-1239.

[34] MUTHUSAMY A， JAYABALAN N. Ovule culture of cotton with in vitro mutagenesis. Isolation of mutant lines for improved oil， lipid content and fatty acid compositions[J]. Journal of the Swamy Botanical Club，2011，27（17）：83-92.

[35] DAVIS L C. Modification of oil content in cottonseed using chemical mutagenesis[D].Lubbock，Texas：Texas Tech University，2015.

[36] 張獻(xiàn)龍，姚明鏡，史平臣，等.陸地棉抗枯萎病細(xì)胞系再生株后代的抗性鑒定[J].中國(guó)棉花，1998，25（7）：8-9.

[37] 沈法富，于元杰，尹承佾.棉花合子期化學(xué)誘變獲得的早熟品系及其RAPD分析[J].遺傳學(xué)報(bào)，1999，26（2）：174-178.

[38] 葉春秀，莊振剛，謝宗銘.新疆早熟陸地棉EMS誘變后代鑒定及分子標(biāo)記檢測(cè)[J].分子植物育種，2015（8）：1730-1734.