棉花遺傳育種現狀及展望

張樹偉，馬燕斌，孫璇，吳霞，王新勝，李燕娥

（山西省農業科學院棉花研究所，山西運城044000）

棉花遺傳育種現狀及展望

張樹偉，馬燕斌，孫璇，吳霞，王新勝，李燕娥

（山西省農業科學院棉花研究所，山西運城044000）

棉花是我國重要的經濟作物，新品種的選育和應用對我國棉花產業的發展具有重要意義。綜述了不同育種方式在棉花遺傳育種中應用的現狀，指出目前我國棉花新品種選育進展緩慢，抗病蟲、抗除草劑、抗逆、高產、高纖維品質、無酚棉、彩色棉等優良品種資源缺乏，高光效、高產、新型抗蟲抗病等優良基因的挖掘和利用不足。并針對性地提出必須進一步加強傳統育種和現代分子育種手段的有效結合，進行基礎研究和目標育種，不斷優化和改進育種方式，擴大我國棉花產業的優勢，提高我國棉業的國際競爭力。

雜交育種；誘變育種；分子標記；轉基因技術

棉花以其獨特的性質，既可作為纖維研究的模式生物，也可因其含有豐富氨基酸而作為優質蛋白供給源，從而被廣泛關注。傳統的棉花育種主要以雜交育種為主，且取得了長足的進展并獲得了較好的社會效益和經濟效益。但棉花品質性狀和產量性狀在遺傳上呈負相關[1-2]關系，其在一定程度上制約了傳統育種在性狀改良上的更大突破。

隨著生物技術領域的不斷發展，利用基因工程手段可以將不同植物的基因融合在一起，可以把某一個植物的優良性狀轉移到棉花上，或者把棉花自身的某一個不良性狀去除，從而人為地定向改變其生物性狀。這種方式可以打破物種的生殖隔離，為現代棉花育種以及棉花種質資源的創新提供新的思路。

1 雜交育種

雜種優勢是自然界的普遍現象，具有不同性狀的親本雜交產生的后代通常在適應性、繁殖力、產量、品質、對不利環境抵抗性等方面都有超越雙親的表現。因此，雜交育種在棉花遺傳育種領域有廣泛的利用空間。我國棉花種業研究始于20世紀20年代，到目前共經歷了7次換種[3]，從1919年引入金字棉到建國初期種植的陸地棉品種基本都是從國外引進。到20世紀六七十年代棉花的第4次換種，才主要推廣自育雜交品種，如黃河流域中棉所7號、豫棉1號等，長江流域的鄂棉6號、泗棉3號等，結束了國外品種占主導地位的局面。20世紀80年代末90年代初的第6，7次換種，分子技術及基因工程技術被逐漸應用到棉花育種并發展開來，逐漸獲得大批優質多抗品種，如轉基因抗棉鈴蟲品種中棉所37、中棉所38、國抗棉1號等。而從7次大規模換種可以看出，我國棉花育種發展趨勢從引進棉花種質到自育優良品種，從追求豐產到追求抗病、豐產、早熟、纖維品質等多個方面兼顧，從傳統育種到與新技術結合育種，但無論新技術如何快速發展，雜交育種都有其天然的生物界優勢，在過去、現在、未來的相當長一段時間都會得到充分的利用。

2 誘變育種

突變是自然界生物進化的本質來源，但生物在自然狀態下突變率極低，嚴重制約了生物進化的速度。而通過人工誘變手段則可以極大提高生物突變率，在作物品種改良上發揮重要的作用。我國作物誘變育種開始于20世紀50年代，起步雖晚，但進展較快。目前，常用的作物誘變育種方式有物理誘變和化學誘變2種。其中，物理誘變主要是輻射，如電子束、激光、紫外線、X射線、γ射線、宇宙射線等誘變。化學誘變也是育種研究中常用的一種誘變因素，常用的有烷化劑、疊氮化合物、堿基類似物、亞硝基化合物等。沈法富等[4]利用棉花花粉管通道，把疊氮化鈉誘變劑直接導入魯棉6號子房，發現在合子期誘變比在種子期誘變的變異多，變異幅度更寬，并選育出早熟棉花品系OM24。

3 分子育種

分子育種在棉花上的應用起步較晚，但成效顯著。國家“863”重大項目和“973”重大理論基礎項目實施以來，包括抗病蟲、抗逆、高產、優質纖維等一系列棉花優良品種不斷被培育出來，為棉花在經濟作物中的地位奠定了堅實的基礎。

3.1 分子標記育種

分子標記最早應用于棉花的手段是限制性片段長度多態性（RFLP）標記，但由于當時技術有限，方法不夠完善，僅作為試探性工作。隨著棉花DNA提取和純化技術的突破，棉花分子研究得到快速的發展。特別是20世紀90年代，美國、俄羅斯、澳大利亞等國相繼報道了棉花RFLP及RAPD的研究[5]，Tatineni[6]通過對棉花16個種間雜交后代分別進行形態學性狀分析和RAPD標記分析，指出2種分析方法的聚類分析結果大致相同。Zhang等[7]在AFLP標記的基礎上開發了cAFLP和AFLP-RGA標記，并在陸地棉應用中獲得了較高的多態性。陸才瑞等[8]開發了一種功能型分子標記ISAP，該標記基于標記位點和基因內含子序列的聯系，在棉花種間同樣也產生了較高的擴增多態性。吳大鵬等[9]、宿俊吉等[10]利用SSR分子標記對不同棉花品種的種質資源的遺傳多樣性進行分析，均發現SSR標記具有豐富的遺傳多樣性，指出其不同標記在輔助選擇中具有更廣泛的應用前景。

3.2 轉基因育種

我國棉花的生物技術研究起始于20世紀80年代，是繼美國之后的第2個自主研究轉基因棉花的國家。棉花轉基因技術的主要原理是利用物理、化學、生物學等方法把外源基因導入棉花基因組并使之順利表達，從而改變棉花的某些特定性狀，產生可遺傳的變異。目前，棉花常用的轉基因方法主要有3種：花粉管通道法、基因槍轟擊法和農桿菌介導法。

3.2.1 花粉管通道法花粉管通道法最早是在20世紀80年代由Zhou等[11]提出，指出小片段外源DNA雜交假說，認為外源基因注入植物體后，雖然大部分DNA被降解，但有部分片段短小的基因以岡崎片段的形式整合到植物基因組，影響植物性狀的改變并產生穩定遺傳。謝道昕等[12]首次利用花粉管通道法將Bt殺蟲基因導入我國棉花品種無毒棉、中棉12中，成功獲得了轉基因抗蟲棉植株。此后許多利用花粉管通道法轉化棉花獲得轉基因棉花后代的報道也不斷出現[13]。

3.2.2 基因槍轟擊法基因槍轟擊法又稱微彈轟擊法，該技術在棉花中的應用報道最早見于1990年。Finer等[14]利用粒子轟擊將攜帶潮霉素抗性的DNA導入陸地棉的胚性細胞，并通過組織培養獲得潮霉素抗性再生植株。其后，研究者們對該技術不斷試驗探索，利用多次轟擊和抗性梯度篩選來提高轉化頻率[15]；選擇適合轟擊的受體，如棉花下胚軸、莖尖分生組織、胚性愈傷組織、懸浮培養細胞等[16]，都取得了較好的效果。

3.2.3 農桿菌介導法農桿菌介導的遺傳轉化是目前轉化機制清楚、利用最廣的一種技術。早在1987年國外就有報道，利用農桿菌介導的棉花轉化并得到轉基因植株[17-18]。

山西省農業科學院棉花研究所生物技術研究室最早于1992年利用農桿菌介導法將除草劑tfdA基因導入陸地棉品種晉棉7號，并成功獲得抗除草劑轉基因棉花[19]，后與中國農科院生物中心、中國科學院遺傳所、中國科學院微生物所等單位合作，利用農桿菌介導法于1998年培育出國內首個轉Bt抗蟲棉品種晉棉26號[20]。其后，不斷完善和優化農桿菌介導的棉花遺傳轉化體系，極大提高了棉花轉化效率，相繼獲得了20多個晉棉系列轉基因抗蟲棉新品種[21-22]，如晉棉26號、晉棉31號、晉棉38號、晉棉44號、晉棉50號、晉棉54號、SZ01等。到目前為止，該研究室應用比較成熟的農桿菌介導棉花高效轉化流程如圖1所示。

4 展望

隨著全球水資源缺乏、極端天氣頻現以及我國棉花種植面積不斷減少的趨勢，育種學家在抗病蟲、耐逆（鹽堿、旱、除草劑等）、高產等棉花新品種選育方面還有很長的路要走[23]。目前，我國棉花遺傳育種存在的主要問題有：棉花種質資源不夠豐富，不同棉花品種遺傳多樣性差異大，優良的核心種質資源缺乏；常規育種周期長，嚴重制約了新品種選育的速度；高產、耐逆、抗病蟲等功能基因資源有限，新型優良基因仍有待挖掘；轉基因技術等體系不完善，許多分子機理未闡明，如何提高遺傳轉化率需要不斷探索和優化。因此，今后我國棉花育種要取得新的突破，仍然要堅持常規育種和現代分子育種相結合，長期深入發掘和克隆新型優質基因，擴充棉花種質資源庫，加強多學科多領域的協作，把各種育種技術有效地綜合利用，提高現代棉花育種水平。

［1］Iqbal M J，Reddy O K，Elzik KM，et al.Agenetic bot-tleneck in the envolution under domestication of upland cotton Gossypium hirsutum L.examined using DNA fingerprinting[J].Theoretical and Appliede Genetics，2001，103（4）：547-554.

［2］Tanksley S D，McCouch S R.Seed banks and molecular maps：unlocking genetic potential from the wild[J].Science，1997，277（22）：1063-1066.

［3］喻樹迅.我國棉花生產現狀與發展趨勢[J].中國工程科學，2013，5（4）：9-13.

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

［5］Tatineni V.Genetic diversity in elite cotton germplasm determined by morphological characteristics and RAPD[J].Crop Sci，1996，36（1）：186-192.

［6］Tatineni V.Genetic diversity in elite cotton germplasm determined by morphological characteristics and RAPD[J].Crop Sci，1996，36：186-192.

［7］Zhang C W，Guo L L，Wang X L，et al.Molecular characterization of four ADF genes differentially expressed in cotton[J].Genet Genome，2007，34（4）：347-354.

［8］陸才瑞，喻樹迅，于霽雯，等.功能型分子標記（ISAP）的開發及評價[J].遺傳，2008，30（9）：1207-1216.

［9］吳大鵬，房嫌嫌，崔閏根，等.國內外陸地棉品種資源的親緣關系和遺傳多態性研究[J].棉花學報，2011，23（4）：291-299.

［10］宿俊吉，陳紅，余渝，等.陸地棉遺傳距離與纖維品質性狀中親優勢及F1、F2表現的相關性研究[J].棉花學報，2013，25（2）：142-147.

［11］Zhou G Y，Weng J，Zeng Y.Introduction o f exogenous DNA into cotton embryos[J].Meth Enzymo，1983，101（6）：433-481.

［12］謝道昕，范云六，倪萬潮，等.蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）殺蟲晶體蛋白基因導入棉花獲得轉基因植株[J].中國科學：B輯，1991，21（4）：367-373.

［13］鄧德旺，郭三堆，楊志民.棉花花粉管通道法轉基因的分子細胞學機理研究[J].中國農業科學，1999，32（6）：113-114.

［14］Finer J J，Mullen MD.Transformation of cotton（Gossypium hirsutum L.）via particle bombardment[J].Plant Cell Rep，1990，8（10）：586-589.

［15］Rajasekaran K，Hudspeth R L，Cary J W，et al.High frequency stable transformation o f cotton（Gossypium hirsutum L.）by particle bombardment of embryo genic cell suspension cultures[J].Plant Cell Reports，2000，19（6）：539-545.

［16］Liu C L，Yu Y，Wang Y F.Study on transformation of meristem via gene gunbombardment[J].Acta Gossypium Sinica，2003，11（5）：274-287.

［17］Umbeck P，Johnson G，Barton K，et al.Genetically transformed cotton（Gossypium hirsutum L.）plants[J].Nature Biotechnology，1987，5（3）：263-266.

［18］Firoozabady E，DeBoer D L，Merlo D J，et al.Transformation of cotton（Gossypium hirsutum L.）by Agrobacterium tumefaciensand regeneration of transgenic plants[J].Plant Molecular Biology，1987，10（2）：105-116.

［19］陳志賢，范云六，李淑君，等.利用農桿菌介導法轉移tfdA基因獲得可遺傳的抗2，4-D棉株[J].中國農業科學，1994，27（2）：31-37.

［20］李燕娥，李淑君，焦改麗，等.轉Bt基因抗蟲棉晉棉26號的生產特性及其配套技術[J].山西農業科學，1998，26（3）：3-6.

［21］馬燕斌，王霞，吳霞.新的抗草甘膦轉基因棉花獲得的初報[J].山西農業科學，2013，41（10）：1046-1049.

［22］劉江，馬燕斌，孫全喜.超長鏈多不飽和脂肪酸在棉花中的異源合成[J].作物學報，2014，40（1）：86-92.

［23］孟超敏，蔡彩平，郭旺珍.棉花抗逆育種研究進展[J].南京農業大學學報，2012，35（5）：25-34.

Exploration and Prospect of Variety Breeding Method in Cotton

ZHANG Shu-wei，MA Yan-bin，SUN Xuan，WU Xia，WANG Xin-sheng，LI Yan-e
（Institute of Cotton，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Yuncheng 044000，China）

Cotton is one of the most important economic crops in our country,the breeding and application of the new varieties is of great significance to the development of cotton industry in China.This paper summarized the general situation of cotton industry in China and the status of different breeding methods in cotton breeding and pointed out that the development of cotton breeding in China was slow, many good resources such as insect resistant,herbicide resistant,stress resistant,high yield,high fiber quality,no phenol cotton,colour cotton,and soon,were still lack.Good genes about high light efficiency,high yield,new insect resistant had not been utilized.This paper put forward traditional breeding and modern molecular breeding methods should be combined more effective,continued utilize basic research and target breeding,optimized and improved breeding methods,and expanded the advantages of cotton industry in our country to improve the international competitiveness.

hybrid breeding;mutation breeding;molecular markers;transgenic technology

S562.032

A

1002-2481（2016）01-0119-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.01.31

2015-09-23

國家轉基因生物新品種培育重大專項（2014ZX08010-003）；國家自然科學基金項目（31201253）

張樹偉（1987-），男，山西晉城人，研究實習員，碩士，主要從事棉花優質基因克隆及棉花遺傳轉化研究工作。李燕娥為通信作者。