株型育種在機采棉應用中的研究進展

齊海坤，嚴根土，王 寧，蘇桂蘭，楊 杰，周 紅，許慶華，黃 群

（中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000）

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株型育種在機采棉應用中的研究進展

齊海坤，嚴根土，王 寧，蘇桂蘭，楊 杰，周 紅，許慶華，黃 群

（中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000）

摘 要：近年來由于機采棉的迅速發展，很多育種家和栽培家圍繞棉花機器采摘的適宜農藝性狀做了大量的研究，而株型育種是棉花機械化生產的重要研究內容之一，文章通過綜述前人在株型育種中由常規育種到分子育種的發展歷程及在機采棉應用中的研究現狀，為進一步研究機采棉在株型育種方面提供一定的理論基礎和借鑒。

關鍵詞：株型育種 機采棉 研究進展

棉花在我國種植面積約533萬hm2，占世界種植面積的15%［1］，在國民經濟中占有很重要的地位，是人民生活中不可缺少的重要物資。然而近年來，由于棉花管理繁瑣，需要大量的人力物力，且農資成本高，致使棉花生產成本增加、經濟效益差，致使農民出現能種其它作物就絕不種棉花的想法，棉花種植面積逐漸下降。因此，棉花生產必須轉向簡化生產，減少在種植成本上的投資。機械化生產棉花可以省時省工，成了人們的迫切需求，棉花生產全程機械化是實現快樂植棉的根本出路［2］。在眾多的適宜機采棉花性狀研究中，株型育種是棉花機械化生產的重要研究內容之一，該文通過綜述前人對株型育種在機采棉應用中的研究現狀，為進一步研究機采棉在株型育種方面提供一定的理論基礎和借鑒。

1 機采棉株型要求

機采棉技術可以實現高產、高效、優質目的，棉花品種、田間管理、栽培模式、籽棉儲運、化學脫葉（催熟）等影響其技術成果［3］。棉花株型包括棉株結鈴形式和生長結構。主莖高度，營養枝和果枝個數及長度，果枝間的主軸節間長度，果枝始節高度等是株型的主要構成成分［4］。陸地棉影響機械采收和栽培措施的株型因子包括主莖葉片數、株高、果枝數、果枝類型、葉枝數等。前人對棉花株型研究的較多，如果枝始節高度≥20 cm，兩個果枝的間距10～11 cm，棉株高度80～100 cm［6］。棉株太矮，果枝間距過小，棉鈴間距太近，影響機采效果；棉株長的太高，養分供應營養生長大于生殖生長，棉鈴貪青晚熟。因此機采棉對棉花株型的要求較高，需要進行全面系統的研究。

2 常規株型育種

常規株型育種是育種的一個部分，其傳統育種方法主要包括選擇育種、有性雜交育種（又稱組合育種或重組育種）、雜種優勢育種、物理及化學誘變育種、離體組織培養育種（包括花藥及花粉單倍體育種、原生質體融合或體細胞雜交等）［7］。

2.1 選擇育種

選擇育種（selection breeding）是現有品種在種植過程中產生與本身性狀表現出明顯區別的現象，篩選有利突變體并通過鑒定改良成新的品種［8］。轉Bt基因抗蟲棉萬豐201、冀豐106、邯棉802、冀122周棉6 號等就是經過多年南繁北育連續選擇并結合其他主要性狀（株高、株型、莖稈粗壯、葉片大小、鈴型）定向選擇培育出的。在常規育種中可以根據機采棉的要求選擇合適的株型，使選育目標明確，但在大田中尋找自然產生的變異頻率很低，因此選擇機會較少。

2.2 有性雜交育種

有性雜交育種（sexual cross breeding）或重組育種（combination breeding）是首先確定選育目標，將兩個親本各自持有的優良性狀通過人工雜交的方法組合到雜種中，對其后代進行目標性狀選擇，獲得具有目標性狀且遺傳穩定的新品種［9］。雜交方法分單交、雙雜交、回交，復式雜交，多父本雜交等［10］。新陸早13號，株型塔型，Ⅱ式果枝較緊湊，莖稈粗壯茸毛多，就是采用早熟和抗病親本進行有性雜交而成。但由于雜交種后代會產生分離，從而增加育種年限。

2.3 雜種優勢育種

雜種優勢育種（heterosis breeding）是在F1的體質、繁殖和適應方面表現出超出親本的現象，并利用其優勢。梁哲軍等［11］提出，合理株型（外在高光效）+高效光合（內部高光效）+雜種優勢的技術路線，為棉花高光效育種提供參考。利用雜種優勢較易將高產、優質和抗逆三者結合起來，能集中兩種親本的優勢，且組合選配周期短，能較快滿足各方面的需要［12］。但目前我國雜交棉種主要是人工制種，耗費大量的人力財力，增加了育種成本。

通過我們多N鎮黨員隊伍現狀分析發現無論是從年齡結構、性別比例、學歷情況都與全國相比存在不小的問題，老齡化嚴重、女性黨員比例和學歷偏低的現象不容忽視。

2.4 誘變育種

誘變育種（mutation breeding）指將現有的品種，通過物理、化學及生物等誘變產生遺傳物質變異，從而改良品種性狀。20世紀以來，我國在誘變育種方面也取得了很大的進步，經過反復的實驗培育出兩個棉花新品系F2-40和F2-55［13］，為甘肅河西走廊棉花自然生態條件下優質棉品種選育奠定了基礎。在株型方面，從中長果枝型的岱字棉15號選育出有限果枝類型適于密植的早熟豐產的新品系輻003。福射育種一般能在3～4代獲得穩定的新品系，特別是當品種的某些有益性狀和不良性狀聯系在一起時，輻射育種有利于打破這種連鎖，使一個優良品種的某一劣性容易得到改良。但誘變育種很難對后代突變頻率和類型做出預測，且對單一性狀改良有效，很難同時改良多個性狀。

2.5 離體組織培養育種

離體組織培養育種（tissue culture and breeding）是在無菌的條件下，將外植體培養在人工配制的培養基上，在培養條件適宜的情況下長成完整的植株［14］。陳妹幼［15］以幾個陸地棉品種（系）的下胚軸為外植體，試圖構建一種快速高效的體細胞再生植株的技術體系。

總之，常規育種方式多樣，可以根據不同的選育目標采取不同的方法，且其育種過程中不需要高端儀器，適宜范圍廣，無論是科研單位還是地方育種家都可以用此法選育新品種［16］。以往老育種家們只需一把尺子一桿秤就是其最真實的寫照。但是常規育種也有很多不足，在提高產量、品質及抗性上仍存在局限性，常規育種培育新品種的周期較長，要求試驗田的面積也較大，需要的人工也多。因此，別墅等［17］指出利用常規技術與分子育種技術相結合培育品種是解決棉花問題的有效措施。

3 分子輔助株型育種

隨著生物技術的發展，分子育種技術在棉花育種方面發展突飛猛進。利用分子生物學技術對現有的育種材料在DNA水平上進行性狀鑒定、識別、轉移、選擇和重組，達到優產優質，培育出更適合農民生產的品種，為社會增添經濟效益。其中基因工程育種（geneticengineeringbreeding）和標記輔助選擇（MAS=Marker-assisted Selection）是現代育種技術的兩項基本內容（M.E.Sorrells 和W.A.Wilson）。

3.1 基因工程育種

3.2 分子輔助育種

分子輔助育種是將遺傳標記與目標基因緊密連鎖分析，把含有目標基因的個體從群體中分離出來，達到有目的性的選擇加速育種進程［20］。

3.2.1 遺傳標記的類型

遺傳標記是用作標記的基因，包括形態學標記（morphological marker）、生物化學標記（biochemical marker）、細胞學標記（cytological marker）、免疫學標記（Immune Genetic Markers）和分子標記（molecular marker）五種類型。形態學標記是指那些能夠明確顯示遺傳多態的外觀性狀，如株高、果枝始節高度，營養枝個數等的相對差異，孟德爾經典遺傳定律就是應用豌豆的種皮顏色為標記。細胞學標記指對處理過的生物個染色體核型和帶型進行分析，包括染色體缺失、重復、易位、倒位等。生物化學標和免疫學標記主要在動物方面應用的比較多。分子標記是從DNA水平遺傳多態性分析個體間核苷酸序列變異的標記，是目前應用較廣的標記方法。

3.2.2 分子標記類型

分子標記可分為三大類。第一類包括以分子雜交為核心的限制性片段長度多態性標記（Restriction fragment length polymorphism，RFLP），DNA指紋技術，原位雜交等；第二類包括以PCR反應為核心的隨機擴增多態性DNA標記（Random amplification polymorphism DNA，RAPD），簡單序列重復標記（Simple sequence repeat，SSR），擴展片段長度多態性標記（Amplified fragment length polymorphism，AFLP），序標位（Sequence tagged sites，STS），序列特征化擴增區域（Sequence charactered amplified region，SCAR）等；第三類包括單核苷酸多態性（Single nuleotide polymorphism，SNP），表達序列標簽（Expressed sequences tags，EST）等新型標記。

分子標記指個體間核酸序列內堿基變異，反映出生物個體或種群間基因組中某種差異的特異性DNA片段。生物主要的遺傳物質是穩定且擁有遺傳變異的DNA，因而與其它遺傳標記相比，分子標記有多態性高，穩定遺傳不受組織類別、發育時期和環境條件的影響。分子標記輔助選擇育種是從基因方面選擇，這就彌補了一些表現型差異不明顯的鑒定困難，而且允許早期選擇，可進行無損害的性狀評價和選擇，提高回交育種效率優點［21］。

3.2.3 棉花遺傳圖譜構建

分子標記技術已在農業基礎與應用研究領域開始應用，特別是在構建分子遺傳圖譜和標記目的性狀基因方面取得了很大的進展。1980年Bostein首先提出了利用RFLP標記構建遺傳圖譜的設想，1987年Donis-Keller發表了第一張人類的RFLP連鎖圖，此后許多植物的RFLP圖譜陸續問世。1990年Willianms和Welsh各自獨立發明了基于PCR的DNA多態檢測技術。1995年Pieter Vos發明了AFLP分子標記技術。隨著SSR分子標記和SNP分子標記的問世，越來越多的生物有了遺傳圖譜，且圖譜上的標記也越來越密。目前所有重要的農作物已建立了遺傳圖譜。1994年Reinish首次應用RFLP標記構建了705個多態性位點，分布41個連鎖群，總長4 675 cm的圖譜。2015年雷蒙德氏棉D基因組和亞洲棉A基因組測序結果公布，加速了分子育種的進程。

3.2.4 QTL基因定位

QTL指性狀座位或者性狀基因座，是控制性狀的基因在基因組中的位置。在分子育種中具有十分重要的研究意義。其原理是在分離群體中構建較高密度、均勻分布全基因組的分子標記連鎖圖。通過構建分離群體的遺傳圖譜和調查分離群體的田間性狀，得到基因型和表型數據，并對其進行統計分析，在分子標記連鎖圖中定位出將決定數量性狀的QTL。

目前QTL定位方法有很多種，包括單標記或單點分析、區間作圖、帶有背景控制的區間作圖等［22］。單標記法（Single marker analysis）是最簡單的分析標記與性狀關聯的方法，通過比較不同標記基因型均值間的差異顯著性來檢驗QTL的存在。單標記法在20世紀80年代初應用得較多。區間作圖法（Interval Mapping，IM）是以飽和連鎖圖譜為基礎，在判斷某一特定位置是否存在QTL時，同時利用該位置所在區間上左右兩端相鄰標記的信息。帶有背景控制的區間作圖包括復合區間作圖（CompositeInterval Mapping，CIM）和完備區間作圖（inclusive composite interval mapping，ICIM），是通過引入其他標記作為協變量，消除區間以外QTL對作圖區間的影響。不同的背景標記選擇對CIM的結果影響較大，ICIM簡化了CIM中控制背景遺傳變異過程，提高了QTL的檢測功效。

利用QTL定位的方法來研究棉花的數量性狀已經十分普遍。目前常用的作圖群體有F2群體、BC群體、DH群體、RIL群體、近等基因系群體、染色體片段代換系群體等。棉花數量性狀QTL定位在產量性狀、纖維品質、抗病等方面的研究較多，在株型方面較少。2009年秦永生等［23］利用陸地棉中28以及陸地棉湘雜棉2號兩個強優勢雜交種構建F2作圖群體，并利用該群體構建了具有245個多態性標記，總遺傳距離為1 847.81 cM的遺傳圖譜。利用該圖譜對于3個環境的表型數據，包括株高、果枝數 等性狀進行QTL定位。在中28群體中利用平均值共定位出16個QTL，在湘雜棉2號群體中定位出20個。2012年，努斯熱提-吾斯曼［24］利用新早陸33和TM-1構建F2作圖群體，并構建了120個多態性標記，覆蓋的遺傳距離142.05 cM，利用該圖譜對果枝始節高度、節間長度、果枝始節節位等株型性狀定位出9個QTL位點。

4 結論與展望

近年來棉花育種應用研究發展很快，同其他作物一樣，棉花由常規育種已發展到與分子標記輔助育種相結合的綜合應用，在纖維品種改良、抗病蟲、抗逆育種等方面均取得進展。但是目前我國適應機采棉的品種并不多，往往是纖維品質和株型不能同時達到機采要求，從而不能得到廣泛的應用。所以在滿足高產優質的基礎上，仍需要不斷改良棉花的株型；此外在注重機采的同時，也應加強簡化栽培過程，如選育營養枝少的材料，使其在噴打葉片脫落劑后不至于掛很多葉片。綜上所述，隨著機采棉技術日漸成熟，株型育種必將在棉花育種研究中發揮越來越重要的作用。

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