棉花誘變育種研究進展

摘要：簡述了誘變育種中常用的物理誘變和化學誘變在棉花育種上的應用及研究概況，提出了棉花誘變育種存在的問題，并對棉花誘變育種前景進行了展望。

關鍵詞：棉花；誘變；育種

中圖分類號：S330 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）24-6324-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.002

棉花是中國重要的經(jīng)濟作物，但中國非棉花原產地。棉花育種的親本大部分從國外引進。雖然經(jīng)過科技人員的努力攻關，在新品種選育方面取得了一定的成就，但近幾年來，新育成品種豐產性、品質方面沒有新的突破。原因主要是中國棉花育種資料貧乏，遺傳基礎狹窄[1]。誘變育種可以用來創(chuàng)造遺傳性狀上的質量和數(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、新種質和新表型，大大豐富遺傳變異范圍，已被用來作為補充現(xiàn)有育種的重要工具[2]。加強誘變技術在棉花育種中的應用，是擴大棉花種質基礎的一種快速、高效的方法。

1 誘變育種類型

誘變育種技術發(fā)展至今，主要有物理誘變、化學誘變以及定點誘變。定點誘變是在分子水平上進行操作，通過人為設計單個堿基的順序，產生變異的新性狀，以造成突變。物理誘變在棉花育種中應用比較廣泛，化學誘變在棉花育種中的報道較少，定點誘變是近年來生物工程研究中發(fā)展迅速的一個領域，現(xiàn)已成為分子生物學研究的常用方法，可定點改造目的基因而引起基因突變和性狀變異[2]。

2 誘變育種及應用研究

2.1 物理誘變及其在棉花育種上的應用

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，還包括近年來發(fā)展起來的重離子及太空誘變[3]。在棉花誘變育種中應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30年代。中國從20世紀60年代開始棉花輻射誘變育種，主要以γ射線為輻射源對棉花誘變進行研究。自1970年代至今，中國育成了魯棉1號、新海2號、冀邯8號、太原112、運輻885和輻射1號鄂棉15號、皖棉1號、皖棉5號、鹽城661和90197-1等品種，其中魯棉1號在1980年代初作為主栽品種在北方棉區(qū)大面積推廣種植，對中國棉花單產的提高起到了一定的推動作用[4]。近些年，岳潔瑜[5]研究發(fā)現(xiàn)20 Gy 60Co-γ射線對花粉粒的表面結構無影響，但對花粉粒內部結構產生明顯的破壞作用，內壁變薄，不規(guī)則且部分向內凹陷，內質網(wǎng)解聚，內含物增多；與對照（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，并研究了其抗性機理。穆國俊[7]通過50 Gy60Co-γ射線輻照棉花，獲得了超雞腳葉、無棉酚腺體突變體，并在DNA水平上檢驗了遺傳的差異性。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標記擴增出38個多態(tài)性位點，提高了選育效率。孫君靈等[9]用γ射線輻照3個陸地棉和2個彩色棉種質，獲得新的棉花種質資源，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個不育矮稈突變體，研究表明可能是由1對隱性等位基因控制，γ射線誘導不育矮稈突變主要包括部分缺失與點突變。

航天誘變育種起步于20世紀50年代。中國自1987年開始，已進行了幾十次航天生物學試驗，培育了近400個新優(yōu)良品種[11]。棉花航天誘變育種經(jīng)過近30年的研究，也取得了顯著的成效。中國農業(yè)科學院棉花研究所經(jīng)過多年航天誘變育種研究，審定或認定棉花新品種3個，分別為中棉所50、中297-5和中棉所42，中棉所42已大面積推廣應用；選育出3個正在參加國家或省級區(qū)試棉花新品系：中1701、中825和早中501；同時獲得一大批優(yōu)良種質新材料和突變體20余個，包括早熟豐產型、不育株、大鈴早熟型、葉型變異株、高比強材料和株型變異株等[12]。另外，詹有俊等[13]利用航天育種技術培育出兩個棉花新品系F2-40和F2-55，結鈴性強，早熟性好，霜前花率高，抗枯萎病，增產效果顯著，還篩選出了7個具有結鈴性強、產量性狀突出、抗枯（黃）萎病、品質較好的育種中間材料。洪梅等[14]獲得5個海島棉新品系以及10余份新種質材料。Li等[15]通過雙向電泳和質譜鑒定技術，對航天誘變獲得的芽黃突變體進行分析，找到14個可信的差異蛋白點，在蛋白質水平上初步探究了芽黃機理；Song等[16]對航天誘變獲得的芽黃突變體VSP做了形態(tài)特征、農藝性狀、細胞和基因水平的鑒定，結果表明葉綠素和類胡蘿卜素水平與葉綠體結構有關，VSP是由核內一對隱性基因控制。朱海勇等[17]系統(tǒng)地研究了航天處理后代主要農藝性狀的變異，結果表明，棉花航天誘變后代的主要農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藝性狀是鈴數(shù)。Liu等[18]利用組織學和蛋白質組學研究了航天誘變獲得的光敏遺傳雄性不育突變體CRI9106的不育機制。結果表明，花粉外壁形成的缺陷是不育株不育的關鍵原因。Ma等[19]對航天誘變獲得的淡綠色標記的不育系突變體研究分析表明，該性狀由1個單一的隱性基因或2個緊密連鎖的基因控制的。另外，細胞學觀察和轉錄譜分析表明，花粉粒細胞質降解應該是長日照條件下雄性不育突變體不育的主要原因。

離子束注入技術在棉花創(chuàng)造新種質和改良品質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緣雜交。結果表明，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個優(yōu)質、高產、早熟和抗病蟲的新品系。穆國俊[7]利用14N重離子注入棉花種子幼胚，獲得纖維品質突變體。程備久等[22，23]往棉花種子中注入3種離子，發(fā)現(xiàn)采用離子注入對誘導棉花變異的效果很好，并且研究了離子注入棉花后農藝性狀的變異、酯酶和過氧化物酶同功酶的變化。黃樂平等[24]通過離子束注入技術獲取棉花矮化突變體植株，通過對矮化植株的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生長發(fā)育、增產和提高纖維品質的效應；用激光水處理棉花離體子葉，對其器官分化具有促進作用。靳芳等[26]研究了電子束輻照對棉花花粉萌發(fā)率的影響，結果表明在300～1 000 Gy范圍內對陸地棉花粉萌發(fā)率有不同程度的抑制作用，但在一定程度上延長了陸地棉花粉的活力。

2.2 化學誘變及其在棉花育種上的應用

化學誘變是通過化學誘變劑與核苷酸中的磷酸、嘌呤、嘧啶等分子直接反應來誘發(fā)單核苷酸發(fā)生變異，產生新的等位基因的方法。化學誘變具有易操作、劑量易控制、對基因組損傷小、突變率高等特點。與物理誘變相比，很多化學誘變劑產生的點突變比例高，染色體畸變比例低。化學誘變由于不對作物基因組進行大的調整，引起的變異穩(wěn)定且可遺傳，下一代不會出現(xiàn)嵌合體，近年來成為運用較為廣泛的誘變技術[2]。化學誘變劑是一些分子結構不太穩(wěn)定的化合物，化學誘變劑種類有：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]。

化學誘變被用作一個有效的育種附加工具，可改善棉花的農藝性狀。國外研究中， Brown等[28]利用EMS處理棉花種子，獲得產量和纖維品質性狀都有所提高的3個棉花突變品系，認為利用甲基磺酸乙酯（EMS）誘變可以創(chuàng)建有益的突變體，打破基本產量構成與纖維品質之負相關的關系。Bechere等[29]用EMS 3%（v/v）進行化學誘變處理棉花種子，獲得纖維品質突變體。Patel等[30]利用EMS誘變，獲得總共3 164個M5突變系，篩選出157個優(yōu)良纖維品質的突變系。Bechere等[31]通過2.45%EMS處理棉花種子，選育出一個突變體，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。Muthusamy等[32，33]利用化學誘變技術獲得高產突變系，并研究了化學誘變劑EMS和NA對棉花離體莖尖產生的體細胞無性系變異，認為低濃度處理棉花可以改善農藝性狀、提高棉花抗病性。Muthusamy等[34]和Davis[35]利用化學誘變技術來提高油脂含量和改變油脂成分，并獲得了棉花油脂突變體。在國內，張獻龍等[36]用EMS、NaN3對棉花外植體進行誘變，獲得了多個棉花抗枯萎病耐毒細胞系，并對耐毒細胞再生植株進行了鑒定分析。沈法富等[37]把NaN3導入到魯棉6號的花粉管內，選擇出一個早熟株系，并對早熟株系進行RAPD分析。結果表明，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標記證明了變異植株在DNA水平上發(fā)生了變異。穆國俊[7]用EMS對棉花品種冀棉20和農大156進行處理，獲得了棕纖維、無棉酚腺體突變體，子指突變體，還有纖維品質突變體，還在SSR標記的DNA水平上檢測驗證了突變體的遺傳差異性。

3 問題與展望

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。對于僅改變單一性狀而言，誘變育種不產生遺傳累贅。但誘變育種也存在一些不足，比如存在相當大的隨機性，誘變的方向和性質難以控制，重復性差，目前還無法實現(xiàn)真正意義上的調控誘變，有利變異少以及需大量處理材料等。另外，定點誘變技術在棉花育種中還少有應用。因此，要成功有效地將誘變技術應用到棉花育種中以獲得新的優(yōu)良品種，必須加強對誘變技術相關理論、方法和作用機理的深入研究，結合細胞生物學、分子生物學技術，對誘變后機體產生的新的基因的調控與表達、蛋白質的合成等機理進行深入的探討。

隨著生物技術水平的不斷提高以及棉花誘變育種研究的不斷深入，相信未來的棉花誘變育種會獲得更大的突破性進展。

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