雙親顯性低酚抗蟲雜交棉F₁、F₂代經(jīng)濟性狀優(yōu)勢分析

陳旭升 趙亮 狄佳春

摘要：對雙親顯性低酚抗蟲雜交棉F1、F2代的產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、棉酚含量等性狀進行分析。結(jié)果顯示，2個雜交組合籽、皮棉產(chǎn)量均具有明顯的中親優(yōu)勢;其中組合 WU082×WT188與有酚雜交棉對照蘇雜201相比，它的F1代籽棉、皮棉還表現(xiàn)出明顯的競爭優(yōu)勢，且F2代的皮棉產(chǎn)量也具有一定的競爭優(yōu)勢。2個組合的F2代與F1代相比，其纖維長度略有變短，纖維比強度略有變?nèi)?，馬克隆值略有變大。至于棉酚含量，2個組合F1、F2棉籽仁的游離棉酚含量均在 100 mg/kg 以內(nèi)，遠低于飼料國際安全標準。表明只要親本選擇得當，完全可以培育出棉酚含量在國際安全標準之內(nèi)，且其雜交F1、F2代的產(chǎn)量均具有競爭優(yōu)勢的新一代顯性低酚抗蟲雜交棉。

關(guān)鍵詞：顯性低酚棉;抗蟲雜交棉;游離棉酚含量;雜交棉F1、F2代;雜種優(yōu)勢

中圖分類號：S562.035.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0097-04

低酚棉的研究有相當悠久的歷史。1959年，McMichael最先報道在 Hopi 棉中發(fā)現(xiàn)隱性低酚棉突變材料[1]，該突變體由2對純合隱性基因gl2和gl3所控制[2]。1966年，埃及Bahtim試驗站的Afifi等通過32P誘變獲得1個無腺體突變體，定名為Bahtim110[3];Kohel研究顯示該突變體是受單顯性基因Gle2控制的質(zhì)量性狀[4]。Cheng 等對Gle2基因進行了精細定位與候選基因篩選[5]。迄今國內(nèi)外開展的低酚棉遺傳育種試驗，其原初種質(zhì)資源大多可追溯至上述2個具代表性的低酚棉突變系。

我國20世紀80年代曾一度掀起低酚棉育種與棉籽蛋白利用研究的高潮[6]。然而，由于低酚棉品種抗病蟲能力較差，其產(chǎn)量水平相對不如常規(guī)有酚棉品種，因此在生產(chǎn)上一直未能大面積推廣應用。2000年以來，我們一直致力于探索能在生產(chǎn)上推廣應用的低酚棉遺傳育種技術(shù)。陳旭升等總結(jié)了棉花無腺體性狀的遺傳及低酚棉產(chǎn)業(yè)化前景[7]，而后對轉(zhuǎn)基因抗蟲低酚棉的抗病蟲特性進行了研究，結(jié)果顯示利用外源Bt等抗蟲基因可以提高低酚棉對鱗翅目棉蟲的生物學抗性[8]。2012年，我們對單親本顯性低酚棉F1、F2代的雜交優(yōu)勢規(guī)律進行了分析，結(jié)果顯示2個雜交組合F1代的棉酚含量很低，均在100 mg/kg以內(nèi)，其棉仁粉脫油前后的棉酚含量不存在顯著差異;但F2代棉籽仁的棉酚含量較高，2個組合棉仁的棉酚含量分別高達940.9、991.6 mg/kg，超過了動物食料的安全標準。雖然通過機械壓油，可由棉籽油帶走一部分棉酚，使棉籽餅中的棉酚含量降至動物安全飼用國際標準范圍（400 mg/kg）內(nèi)[9];但考慮大面積生產(chǎn)應用，要保障這種雜種棉棉籽蛋白的飼用安全仍有一定風險。因此，本研究進一步嘗試雙親本低酚抗蟲雜交棉F1、F2代的利用技術(shù)。從理論上說，這種低酚雜交棉收獲的F1、F2代種子的棉酚含量應與顯性低酚親本相當;同時分析其雜交種F1、F2代在產(chǎn)量、品質(zhì)方面的雜種優(yōu)勢，旨在為新一代顯性低酚抗蟲雜交棉在生產(chǎn)上的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年，以抗蟲顯性低酚親本W(wǎng)U082、WU115、WT188，配制2個雙親本顯性低酚雜交棉組合：[WU082×WU115]F1代、[WU082×WT188]F1代。2018年冬，雜交組合南繁加代得F2。

1.2 試驗方法

2019年，在江蘇省睢寧縣王集鎮(zhèn)試驗地種植親本W(wǎng)U082、WU115、WT188，雜交F1代、F2代組合：[WU082×WU115]F1代、[WU082×WT188]F1代、[WU082×WU115]F2代、[WU082×WT188]F2代，以雜交棉蘇雜201[10]為對照（CK）。隨機區(qū)組排列，3次重復。全試驗分次收吐絮籽棉，曬干合并，軋花得大樣衣分，以小區(qū)面積計算籽棉、皮棉產(chǎn)量。在吐絮盛期，收中部棉鈴20個，在室內(nèi)考種單鈴質(zhì)量、籽指、每囊粒數(shù);而后取皮棉樣品20 g，寄農(nóng)業(yè)部纖維品質(zhì)檢測中心測纖維品質(zhì)。利用Excel 2016統(tǒng)計軟件，統(tǒng)計F1、F2代有關(guān)經(jīng)濟性狀的平均值與雜交優(yōu)勢表現(xiàn)。

F1代中親優(yōu)勢=（F1代籽皮棉產(chǎn)量-雙親籽皮棉產(chǎn)量中親值）/雙親籽皮棉產(chǎn)量中親值×100%;

F1代競爭優(yōu)勢=（F1代籽皮棉產(chǎn)量-對照籽皮棉產(chǎn)量）/對照籽皮棉產(chǎn)量×100%;

F2代中親優(yōu)勢=（F2代籽皮棉產(chǎn)量-雙親籽皮棉產(chǎn)量中親值）/雙親籽皮棉產(chǎn)量中親值×100%;

F2代競爭優(yōu)勢=（F2代籽皮棉產(chǎn)量-對照籽皮棉產(chǎn)量）/對照籽皮棉產(chǎn)量×100%。

1.3 棉酚含量測定

游離棉酚含量的測定采用苯胺比色法[11]。取各材料無腺體棉籽100粒，去棉籽殼得種仁。而后在實驗室用研缽將種仁磨成粉，統(tǒng)一稱取各材料棉籽仁粉2 g，測游離棉酚含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量性狀表現(xiàn)

雙親本顯性低酚雜交棉產(chǎn)量與基本農(nóng)藝性狀見表1。由表1可知，2個雜交組合F1、F2代的籽棉、皮棉產(chǎn)量與雜交雙親的平均值相比均具有明顯的中親優(yōu)勢。其中，[WU082×WU115]F1代的籽棉、皮棉中親優(yōu)勢分別為5.8%、6.1%，F(xiàn)2代的籽棉、皮棉中親優(yōu)勢分別為2.8%、2.4%;[WU082×WT188]F1代的籽棉、皮棉中親優(yōu)勢分別為34.6%、33.5%，F(xiàn)2代的籽棉、皮棉中親優(yōu)勢分別為21.0%、23.0%。

從生產(chǎn)應用考量，必須關(guān)注這2個組合與有酚雜交棉對照蘇雜201相比的競爭優(yōu)勢。試驗結(jié)果顯示，[WU082×WU115]F1代與F2代的籽棉、皮棉產(chǎn)量均不具有競爭優(yōu)勢，在生產(chǎn)上沒有實際推廣應用價值。[WU082×WT188]F1代的產(chǎn)量則具有明顯的競爭優(yōu)勢，其籽棉、皮棉產(chǎn)量分別比對照蘇雜201增產(chǎn)7.7%、9.9%;F2代的籽棉、皮棉產(chǎn)量優(yōu)勢與F1代相比表現(xiàn)一定程度的衰退，其籽棉產(chǎn)量比對照蘇雜201減產(chǎn)3.2%，但皮棉產(chǎn)量仍比對照增產(chǎn)1.2%，具有競爭優(yōu)勢。結(jié)果顯示，只要雜交親本選擇得當，完全可以篩選出F1、F2代的皮棉產(chǎn)量均具有競爭優(yōu)勢的雙親本顯性低酚抗蟲雜交棉。至于其他農(nóng)藝性狀，比如霜前花率，F(xiàn)2代比F1代略有降低;單鈴質(zhì)量，F(xiàn)2代比F1代略有提高;大樣衣分，F(xiàn)2代與F1代相當;籽指，F(xiàn)2代比F1代略有增大;每囊粒數(shù)，F(xiàn)2代比F1代略有增多（表1）。

2.2 纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)

雙親本顯性低酚雜交棉F1、F2代的纖維品質(zhì)如表2所示。由表2可知，2個雜交組合的F2代與F1代相比，其纖維長度略有變短，纖維比強度略有變?nèi)酰R克隆值略有變高。就纖維品質(zhì)的中親優(yōu)勢來看，無明顯規(guī)律可循。其中纖維長度[WU082×WU115]F1、F2代均表現(xiàn)為負向中親優(yōu)勢，[WU082×WT188]F1、F2代均表現(xiàn)為正向中親優(yōu)勢。比強度，2個雜交組合F1、F2代均呈負向中親優(yōu)勢。馬克隆值，2個雜交組合F1代呈負向中親優(yōu)勢，F(xiàn)2代呈正向中親優(yōu)勢。

2.3 棉酚含量表現(xiàn)

由表3可知，2個雜交組合的雙親及其F1、F2代的棉酚含量均在100 mg/kg以內(nèi)，不及食料棉酚國際安全標準（400 mg/kg）的1/5;而有酚棉對照的棉酚含量則超出了食料國際安全標準13倍多。該研究展示了低酚棉綜合利用的一種新模式：通過雙親本顯性低酚抗蟲棉雜交配組，完全可以選出F1、F2代棉籽蛋白的棉酚含量均遠低于食料國際安全標準，且籽棉、皮棉產(chǎn)量具有競爭優(yōu)勢的新組合。本研究展示的組合WU082×WT188，其F1、F2代的游離棉酚含量分別為28.3、36.1 mg/kg;且F1、F2代皮棉產(chǎn)量均具有競爭優(yōu)勢，分別比有酚棉對照蘇雜201增產(chǎn)9.9%、1.2%。這是一個非常具有潛力的雜交棉新組合，未來在生產(chǎn)上具有推廣應用潛力。

3 討論

近年來，國際社會對全球環(huán)境質(zhì)量的惡化與生態(tài)平衡的失調(diào)極為關(guān)注。2015年我國正式提出“綠色化”理念。所謂“綠色化”，就是倡導科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式。培育綠色產(chǎn)業(yè)新增長點 是建設(shè)生態(tài)文明國家的重要抓手。

我國作為世界產(chǎn)棉大國，棉籽資源豐富。已知棉籽中含有豐富的蛋白質(zhì)，但由于棉酚的存在，影響棉籽蛋白資源的經(jīng)濟高效利用。在動物食料中，棉籽蛋白須限量加入，一般不超過10%。國內(nèi)外曾研制許多方法來消除棉籽蛋白中的棉酚，但效果不太理想，要么破壞其中的蛋白質(zhì)營養(yǎng)成分，要么棉酚的清除效果不徹底。清華紫光股份有限公司曾開發(fā)了一種專利技術(shù)，生產(chǎn)低酚棉籽蛋白粉[12]，可以使棉酚含量降低60%左右，即降到動物食料的國際安全標準（400 mg/kg）以內(nèi);但化學脫毒要消耗大量的能源，易造成環(huán)境污染。

另據(jù)新華網(wǎng)最新報道，美國得克薩斯農(nóng)業(yè)與機械大學的拉索爾研究團隊，通過RNA干擾技術(shù)培育出棉籽無酚、棉株有酚的新型轉(zhuǎn)基因棉花TAM66274，已獲美國食品和藥物管理局批準釋放[13]。這無疑給可飼用、可食用棉花的開發(fā)利用帶來新的基因資源。不過與之相比，本研究利用的全株無腺體顯性基因的低酚棉仍具有獨特優(yōu)勢。

低酚棉籽純度跟蹤監(jiān)控方面的優(yōu)勢。顯性低酚棉在苗床即可首次去雜，在大田還可以進行第2次去雜。這樣可以保證低酚棉種100%無酚，有效預防故意以有酚棉冒充低酚棉，或無意中夾帶有酚棉的機械混雜，或棉花異花授粉可能帶來有酚棉基因的天然混雜，從而大大減輕加工企業(yè)的質(zhì)量跟蹤檢測成本。相比之下，棉籽無酚、植株有酚的品種類型，一旦與有酚棉發(fā)生有意或無意的混雜，其甄別或分離都相當困難。

顯性無腺體突變體屬于自然突變體，不需要做轉(zhuǎn)基因安全性評價，可以直接推廣應用。而利用RNA干擾技術(shù)培育的棉籽無酚、棉株有酚的新型轉(zhuǎn)基因棉花則須要進行嚴格的轉(zhuǎn)基因生物生產(chǎn)應用安全性評價，而后才能推廣應用。

與種子無酚、棉株有酚的新型棉花品種培育相比，利用顯性低酚雜交棉的雜種優(yōu)勢，可以實現(xiàn)產(chǎn)量、抗性與品質(zhì)等性狀的互補平衡，更易達到各種經(jīng)濟性狀的綜合改良。

鑒于棉花雜交制種成本逐年上升，在生產(chǎn)上大面積使用雜交棉F1代不太現(xiàn)實，可考慮雜交棉F2代的利用。由于棉花基因組大而復雜，具備F2代產(chǎn)生雜種優(yōu)勢的遺傳學基礎(chǔ)，同時生產(chǎn)實踐也已證明雜交棉F2代具有可以利用的雜種優(yōu)勢[14-16]。至于雙親本顯性低酚雜交棉的F1、F2代雜種優(yōu)勢利用，未見報道。本研究證實，雙親本顯性低酚雜交棉的某些組合完全可以實現(xiàn)其F1、F2代棉籽仁的棉酚含量低于食料國際安全標準，且籽棉、皮棉產(chǎn)量具有競爭優(yōu)勢，其在生產(chǎn)上具有推廣應用潛力。

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