利用漸進法實現(xiàn)棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的協(xié)同改良

錢玉源，劉祎，崔淑芳，王廣恩，張曦，金衛(wèi)平，李俊蘭

（河北省農(nóng)林科學院棉花研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，河北 石家莊 050051）

隨著紡織工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近年來紡織企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，紡織設(shè)備向數(shù)字化、智能化、自動化方向轉(zhuǎn)變，對紡織原料棉花的纖維品質(zhì)提出了更高要求[1]。如何在保證穩(wěn)產(chǎn)的前提下，協(xié)調(diào)產(chǎn)量與纖維品質(zhì)的關(guān)系，培育出豐產(chǎn)性好且纖維品質(zhì)符合現(xiàn)代紡織企業(yè)需求的棉花新品種是我國目前棉花育種工作的難題。

棉花的經(jīng)濟性狀多為數(shù)量性狀，由多基因控制[2]，且經(jīng)濟性狀（產(chǎn)量、品質(zhì)） 之間往往存在著負相關(guān)[3]，因此，協(xié)同改良棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)存在一定困難。隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的發(fā)展，目前獲得了大量與產(chǎn)量、纖維品質(zhì)等性狀相關(guān)的QTL 位點或基因，這為利用分子標記輔助選擇和轉(zhuǎn)基因技術(shù)協(xié)同改良棉花產(chǎn)量與品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。石玉珍等[4，5]獲得了一個在不同的遺傳背景下，經(jīng)過多代雜交、回交和自交后，能夠穩(wěn)定遺傳且QTL 效應穩(wěn)定的高強纖維主效QTL，并且利用此高強纖維主效QTL 的分子標記進行輔助選擇能夠顯著提高后代材料的棉花纖維強度。郭旺珍等[6]通過分子標記對位于不同連鎖群上的2 個QTL聚合選擇，所選單株的纖維強度顯著提高，研究結(jié)果為利用分子標記輔助聚合優(yōu)質(zhì)QTL 提供了成功實例。轉(zhuǎn)iaaM 棉花種質(zhì)系IF-11 是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因高衣分優(yōu)質(zhì)種質(zhì)，將iaaM 轉(zhuǎn)育到綜合性狀優(yōu)良的棉花品系后能夠顯著改良衣分和馬克隆值[7～9]。雖然利用分子標記輔助選擇能夠提升遺傳改良的效率，但是QTL 多數(shù)效應不高，且一些標記在不同遺傳背景中表現(xiàn)不穩(wěn)定，易受遺傳背景影響，真正能夠應用于棉花纖維品質(zhì)輔助育種的分子標記數(shù)量不多，這大大限制了分子標記輔助育種的應用[10]。另外，產(chǎn)量和品質(zhì)的形成是受到基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的，通過調(diào)控一個或幾個基因的表達往往不能改善目標性狀，此外基于組織培養(yǎng)的棉花轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)化周期長、轉(zhuǎn)化效率低，同樣限制了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在棉花遺傳改良上的應用。

目前傳統(tǒng)育種技術(shù)仍然是棉花遺傳改良最有效的方式，但采用單交方式難以打破不利連鎖實現(xiàn)基因的優(yōu)化重組，不利于產(chǎn)量和品質(zhì)的協(xié)同改良[11]。棉花產(chǎn)量構(gòu)成要素（單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分） 的遺傳以加性效應、顯性效應為主，品質(zhì)三要素（纖維長度、比強度、馬克隆值） 的遺傳以加性效應為主，這為我們采用多親本逐次雜交，漸進協(xié)同改良棉花產(chǎn)量和品質(zhì)提供了理論依據(jù)[12]。研究表明，利用隨機互交法[13]、修飾回交法[11]、階梯式復交育種法[14]能夠有效協(xié)調(diào)棉花各性狀之間的關(guān)系。在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年優(yōu)質(zhì)棉育種經(jīng)驗，提出了采用多類型親本逐次雜交，漸進協(xié)同改良棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的策略培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種的方法（簡稱“漸進法”）。該方法采用引入多類型親本的措施豐富雜交后代群體的遺傳信息，使各基因座具有更多的相對基因，提高有利基因的概率；采用逐次雜交的方式增加重組和打破連鎖的機會，創(chuàng)造更多的變異；采用連續(xù)定向選擇的方法聚合有利基因，實現(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)的同步改良。利用該方法已培育出系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種，如冀棉616[15]、冀863[16]、冀棉315、冀棉803 等。

1 利用漸進法育種的概述

1.1 制定育種目標

育種目標是親本選配和后代材料選擇的依據(jù)，是育種實施的基礎(chǔ)。通過與紡織企業(yè)對接、調(diào)研分析，確立了以滿足產(chǎn)業(yè)需求的纖維品質(zhì)為育種目標，即：上半部纖維長度≥30 mm，斷裂比強度≥30 cN/tex，馬克隆值3.5～5.0。產(chǎn)量目標為與區(qū)域試驗對照品種產(chǎn)量相當。選擇條件為枯、黃萎病混生病圃，種植密度45 000 株/hm2。在早熟、抗病的基礎(chǔ)上，單株結(jié)鈴數(shù)15 個左右，單鈴重5.5 g 左右，衣分38%以上。

1.2 實施育種策略

漸進法的核心在于親本選配。在選育實施過程中，根據(jù)每次雜交后代的表現(xiàn)，選配新的親本材料改良缺陷性狀，直至各性狀符合育種目標。具體實施過程為：選擇綜合性狀優(yōu)良但目標性狀不足的材料做母本，以目標性狀優(yōu)良、其他性狀較好的材料做父本，配制組合；在后代纖維品質(zhì)表現(xiàn)趨于穩(wěn)定后，根據(jù)品質(zhì)性狀和產(chǎn)量性狀表現(xiàn)，繼續(xù)選擇具有目標性狀的適宜親本做父本，再次雜交、選擇，漸進實現(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的協(xié)同改良，達到育種目標要求。棉花產(chǎn)量和品質(zhì)性狀屬于多基因控制的數(shù)量性狀，單次雜交很難實現(xiàn)各性狀的協(xié)同改良。在綜合性狀優(yōu)良但某一性狀需要改良的情況下，選擇具有目標性狀而其他主要性狀相近的資源材料做雜交的另一親本，會更有利于促進各性狀優(yōu)良基因的累加和優(yōu)良性狀的聚合，避免目標性狀表現(xiàn)變異太大、穩(wěn)定時間過長的問題。

2 利用漸進法育種的效果

2.1 培育出系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花品系

對征集到的大量種質(zhì)資源進行鑒定、評價后，利用漸進法，選擇不同類型的親本材料組配大量雜交組合，結(jié)合多年的定向選擇，已獲得一大批產(chǎn)量性狀較好、纖維品質(zhì)性狀優(yōu)良配套的優(yōu)良品系。這些品系的皮棉產(chǎn)量多數(shù)能達到1 500 kg/hm2以上，纖維長度、比強度大多能達到“雙30”，馬克隆值介于3.9～5.0（表1）。

2.2 培育出系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種

利用漸進法，先后培育出冀棉616、冀863、冀棉315、冀棉803 等系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種（表2）。首先，利用遠緣雜交技術(shù)創(chuàng)制類型豐富的親本材料，如冀棉616、冀棉315、冀棉803 共用親本596 系包含4 個海島棉、4 個陸地棉和海南島野生棉的遺傳信息，新陸中8 號包含陸地棉、海島棉和瑟伯氏棉等的遺傳信息，富含優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)相關(guān)基因，這為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種培育提供了遺傳基礎(chǔ)。然后，采用多類型親本逐次雜交的策略，增加重組和打破連鎖的機會，聚合各親本的有利基因，結(jié)合定向選擇實現(xiàn)各親本間有利基因的最佳組合。最后，經(jīng)抗病、抗蟲、生態(tài)適應性鑒定，培育出上述系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種。

該系列棉花品種的纖維長度和比強度基本能達到“雙30”，其中冀863 的纖維品質(zhì)達到了河北省棉花品種審定標準Ⅱ型品質(zhì)和國家優(yōu)質(zhì)棉AA 檔次；皮棉總產(chǎn)量達到1 500 kg/hm2以上，均超區(qū)試高產(chǎn)對照；均具有較好的抗病性，其中冀棉616、冀棉315 兼抗枯萎病和黃萎病。

3 利用漸進法育種的實施過程——以冀863 為例

3.1 冀863 的育種過程

選擇遺傳基礎(chǔ)豐富且性狀優(yōu)異的新陸中8 號、GK12、89-127（中117 選）、海島棉K2 等5 個材料做親本進行逐次雜交，經(jīng)過多年定向選擇，培育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花新品種冀863。

3.1.1 第1 次雜交培育出高產(chǎn)親本599 系 以產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀等綜合性狀優(yōu)良的新陸中8 號（非轉(zhuǎn)基因、不抗棉鈴蟲，具有陸地棉、海島棉和瑟伯氏棉遺傳物質(zhì)，遺傳基礎(chǔ)豐富） 為母本，以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉GK12 為父本配制組合，從后代中選出599 區(qū)系。該品系生育期130 d，抗棉鈴蟲，結(jié)鈴性好，產(chǎn)量高，單鈴重5.9 g，衣分40.0%；但纖維品質(zhì)一般，上半部平均長度30.0 mm，比強度28.5 cN/tex，馬克隆值5.1。

表1 利用漸進法培育的系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花品系及其性狀表現(xiàn)Table 1 A series of high quality and high yield cotton lines cultivated by progressive method and their traits

表2 利用漸進法培育的系列優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花品種及其性狀表現(xiàn)Table 2 A series of high quality and high yield cotton varieties cultivated by progressive method and their traits

3.1.2 第2 次、第3 次雜交培育出親本優(yōu)質(zhì)系1086 該系來自陸地棉優(yōu)質(zhì)系89-127（中117 選） 與海島棉的雜交后代。首先是89-127 與海7124（中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所培育） 雜交，選擇后代優(yōu)株與海島棉K2〔（前） 蘇聯(lián)引進〕再次雜交，經(jīng)過12 代的分離選擇，培育出優(yōu)質(zhì)棉品系。該品系纖維品質(zhì)好，纖維上半部平均長度30.5 mm，比強度33.5 cN/tex，馬克隆值4.5，抗枯萎病和黃萎病性能較好。

3.1.3 第4 次雜交培育出冀863 針對599 系的表現(xiàn)，為進一步改良纖維品質(zhì)，提高斷裂比強度，選用品質(zhì)好的優(yōu)良品系1086 為父本進一步雜交后，在枯黃萎病病圃脅迫、棉鈴蟲不防治（自然發(fā)生） 條件下，F(xiàn)1～F3代優(yōu)株混合選擇，經(jīng)過田間觀察、室內(nèi)考種、纖維品質(zhì)測試，選擇抗病、抗蟲、纖維品質(zhì)優(yōu)良的單株混收。自F4代開始單株選擇，至F8代選出863 系。該品系纖維品質(zhì)優(yōu)良，長、強、細指標配套；抗蟲性、抗病性、產(chǎn)量表現(xiàn)均較好；霜前皮棉較對照DP99B 增產(chǎn)21.2%，差異達顯著水平。同年，在河北省深州市、曲周縣和東光縣，對高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病等性狀進行了適應性和穩(wěn)定性鑒定。2006 年參加河北省品種區(qū)域試驗，2010 年通過河北省審定，2016 年通過山東省審定，2017 年通過山西省審定，2019 年通過河北省機采棉區(qū)試審定。

3.2 冀863 的品種表現(xiàn)

在河北省冀中南春播棉組區(qū)域試驗中，冀863 表現(xiàn)豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病性好。該品種全生育期126 d 左右；株高96.3 cm，單株果枝數(shù)13.4 個，第一果枝節(jié)位7.2 節(jié)，單株成鈴數(shù)16.3 個，單鈴重6.1 g，子指10.4 g，衣分40%，霜前花率93.3%；抗棉鈴蟲、紅鈴蟲等鱗翅目害蟲，屬高抗枯萎、耐黃萎類型。2006年、2007 年、2009 年冀中南春播棉組區(qū)域試驗，該品種皮棉產(chǎn)量分別為1 485.0、1 735.5、1 476.0 kg/hm2，其中霜前皮棉產(chǎn)量分別為1410.0、1633.5、1338.0kg/hm2。2009 年冀中南春播棉組生產(chǎn)試驗，該品種皮棉產(chǎn)量為1 426.5 kg/hm2，其中霜前皮棉產(chǎn)量為1 282.5 kg/hm2。由農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心進行纖維品質(zhì)檢測，冀863 上半部平均長度30.0 mm，斷裂比強度30.0 cN/tex，馬克隆值4.9，整齊度指數(shù)85.2%，伸長率5.7%，反射率77.3%，黃度7.6，紡紗均勻性指數(shù)143。纖維品質(zhì)符合河北省棉花品種審定標準Ⅱ型和國家優(yōu)質(zhì)棉AA 檔次[17]。

4 討論

棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)、早熟性和抗病性等性狀的負相關(guān)主要是由于基因連鎖造成的，單交、回交很難打破連鎖實現(xiàn)基因的重組，不利于同步改良產(chǎn)量和品質(zhì)等性狀[4]。多親本逐次雜交與單交、回交相比，增加了親本的數(shù)目和類型，遺傳基礎(chǔ)和等位基因信息更豐富，增加了有利基因聚合的概率；逐次雜交同時也提高了染色體交換的概率，更利于連鎖的打破，另外采用逐次方式可以根據(jù)每次雜交的結(jié)果去選配新的親本，使改良更具方向性，更有利于基因聚合。

棉花纖維長度和比強度的加性相關(guān)為極顯著正相關(guān)，且纖維長度和比強度是累加性狀，所以兩性狀容易聚合，可以在棉花改良過程中同步提高[18，19]。利用漸進法培育出的棉花品種冀863、冀棉315 和冀棉803，其纖維長度和比強度均達到了“30”，實現(xiàn)了兩者的同步改良。皮棉產(chǎn)量與纖維長度、比強度的加性效應呈顯著負相關(guān)，所以在同步改良纖維長度和比強度時需增加皮棉產(chǎn)量指標，協(xié)調(diào)產(chǎn)量與品質(zhì)，達到協(xié)同改良的目的。

借助分子標記能夠更準確、快捷地聚合目標基因，實現(xiàn)多性狀的遺傳改良。目前在棉花中已經(jīng)定位到了大量與產(chǎn)量、品質(zhì)相關(guān)的QTL 位點[20～22]，利用與這些位點緊密關(guān)聯(lián)的分子標記輔助漸進法的實施，勢必會顯著提升品質(zhì)和產(chǎn)量協(xié)同改良的效率及效果。