優(yōu)質(zhì)多抗棉花品種五位一體育種技術(shù)體系構(gòu)建與應(yīng)用

王桂峰，王紅梅，魏學(xué)文，趙云雷，陳偉，劉文龍，陳玲，李娟

（1.山東省農(nóng)墾科技發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250013；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽(yáng) 455000；3.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沂276700；4.青島市黃島區(qū)科學(xué)技術(shù)局，山東 青島266000；5.青島市黃島區(qū)王臺(tái)鎮(zhèn)經(jīng)管統(tǒng)計(jì)服務(wù)中心，山東 青島266000）

0 引言

棉花是全球最大的天然纖維作物和紡織工業(yè)的主要原料，在整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位和作用。我國(guó)是世界最大的棉花生產(chǎn)國(guó)（占全球25.5%）和消費(fèi)國(guó)（占全球34.3%），也是最大的紡織品、服裝生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)紡織業(yè)的快速發(fā)展，原棉消費(fèi)量急劇加大，棉紡織原料供需缺口擴(kuò)大到400萬(wàn)噸，這一缺口相當(dāng)于世界第二大棉花生產(chǎn)國(guó)美國(guó)棉花總產(chǎn)的60%[2]。在棉花市場(chǎng)供需方面，一方面國(guó)產(chǎn)棉大量積壓， 棉麻公司負(fù)債經(jīng)營(yíng)，另一方面紡織業(yè)發(fā)展需要大量進(jìn)口原棉。造成“國(guó)棉入庫(kù)、洋棉入市”的被動(dòng)局面，對(duì)我國(guó)棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展形成極為不利的影響。究其原因， 除與國(guó)產(chǎn)棉價(jià)格高于進(jìn)口棉外，與我國(guó)棉花品質(zhì)結(jié)構(gòu)和品種結(jié)構(gòu)有著直接關(guān)系。由于我國(guó)現(xiàn)有棉花品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、品種類型較單一，在品質(zhì)、抗性等方面難以滿足不同植棉模式對(duì)品種的需求，嚴(yán)重制約黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。因此，作者總結(jié)了這種“五位一體”技術(shù)，為同仁們借鑒與參考，旨在解決優(yōu)質(zhì)多抗棉花品種不足的問(wèn)題。

1 棉花品種的優(yōu)質(zhì)多抗是促進(jìn)棉花生產(chǎn)發(fā)展的首要需求

20世紀(jì)90年代，為解決棉鈴蟲對(duì)棉花生產(chǎn)的危害，美國(guó)率先培育出轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉，并于1996年獲準(zhǔn)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棉鈴蟲和紅鈴蟲等鱗翅目害蟲的有效控制，大大降低了廣譜性化學(xué)殺蟲劑的應(yīng)用，提高了棉花單位面積產(chǎn)量和效益，給棉花生產(chǎn)帶來(lái)一次巨大的技術(shù)變革。我國(guó)于1997年開(kāi)始引進(jìn)種植美國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，并迅速在黃河流域棉區(qū)和長(zhǎng)江流域棉區(qū)大面積推廣應(yīng)用，有效緩解了棉鈴蟲對(duì)棉花的為害。但當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種質(zhì)依然匱乏，遺傳基礎(chǔ)狹窄，品種類型單一，同質(zhì)化嚴(yán)重。直接表現(xiàn)是：一方面品種產(chǎn)量和抗性難以滿足不同種植制度和不同生態(tài)區(qū)的要求，特別是近年來(lái)在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和糧食安全戰(zhàn)略的大背景下，我國(guó)棉花生產(chǎn)不斷向鹽堿地縮居位移，加之老棉區(qū)棉花黃萎病呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢(shì)，生產(chǎn)中急需耐鹽和抗病性優(yōu)良的棉花品種；另一方面，棉花品種品質(zhì)又難以滿足紡織業(yè)的多樣化需求，多年來(lái)，黃河流域推廣應(yīng)用的棉花品種，纖維長(zhǎng)度偏短，強(qiáng)度偏低（比美棉低1～2 cN/tex），缺乏紡60支以上紗的優(yōu)質(zhì)原棉。因此培育優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)和抗性強(qiáng)的棉花品種已成為促進(jìn)棉花生產(chǎn)發(fā)展的首要需求。

2 黃河流域棉區(qū)優(yōu)質(zhì)多抗棉花品種“五位一體”復(fù)合育種技術(shù)體系的構(gòu)建

針對(duì)黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)中，長(zhǎng)期存在纖維品質(zhì)不優(yōu)和抗病耐鹽棉花品種缺乏的問(wèn)題，從21世紀(jì)初開(kāi)始，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、山東省農(nóng)墾科技發(fā)展中心等單位緊密合作，圍繞棉花優(yōu)質(zhì)抗病耐鹽品種選育深入開(kāi)展了系統(tǒng)研究，在實(shí)踐中，總結(jié)出“五位一體”的復(fù)合育種技術(shù)體系。該育種技術(shù)體系是針對(duì)黃河流域棉區(qū)棉花生態(tài)條件和不同棉花耕作制度特點(diǎn)，集“優(yōu)異種質(zhì)發(fā)掘、骨干親本改良、性狀精準(zhǔn)鑒定、生態(tài)穿梭育種、分子標(biāo)記輔選”五位于一體。該技術(shù)創(chuàng)新了黃河流域棉區(qū)棉花品質(zhì)、產(chǎn)量和抗病性的協(xié)同改良技術(shù)途徑。

2.1 優(yōu)異種質(zhì)發(fā)掘

廣泛收集國(guó)內(nèi)外種質(zhì)資源，對(duì)其中不同來(lái)源、有代表性的優(yōu)異種質(zhì)材料進(jìn)行遺傳多樣性分析，對(duì)抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等重要性狀進(jìn)行了分析鑒定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)美國(guó)來(lái)源的種質(zhì)材料的遺傳多樣性要高于中國(guó)來(lái)源的材料，但是中國(guó)陸地棉種質(zhì)具有更高的遺傳變異范圍，并且在美國(guó)材料與中國(guó)材料間存在最大的遺傳距離，從而為陸地棉品種的遺傳改良指明了方向[3]。進(jìn)一步研究表明，我國(guó)現(xiàn)有陸地棉品種在抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀上存在廣泛的變異，其中，抗黃萎病相對(duì)病指變化范圍為10.10～76.6，在0.3%濃度鹽脅迫下的出苗率變化范圍為0.47%～93.98%，在15%PEG6000旱脅迫下的隸屬函數(shù)值變化范圍在0～1。通過(guò)遺傳多樣性分析和不同農(nóng)藝性狀鑒定，篩選到具有特殊利用價(jià)值的不同類型棉花種質(zhì)和中間材料239份，包括高產(chǎn)、抗病種質(zhì)62份，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因抗蟲種質(zhì)83份，耐鹽材料10份，抗旱材料46份。這些種質(zhì)材料的發(fā)掘?yàn)樾缕贩N培育奠定了基礎(chǔ)。

2.2 性狀精準(zhǔn)鑒定

對(duì)發(fā)掘到的優(yōu)異種質(zhì)資源，采用分布于棉花全基因組的SSR分子標(biāo)記對(duì)抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共獲得54個(gè)與抗黃萎病性狀顯著相關(guān)、8個(gè)與耐鹽性狀顯著相關(guān)、15個(gè)與抗旱性顯著相關(guān)、10個(gè)與鈴重顯著相關(guān)、8個(gè)與衣分顯著相關(guān)的SSR分子標(biāo)記；檢測(cè)到衣分與耐鹽性顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料1個(gè)，抗病性和抗旱性顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料2個(gè)，鈴重、抗旱性和耐鹽性同時(shí)顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料1個(gè)，鈴重、衣分和耐鹽性同時(shí)顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料1個(gè)[4-7]。同時(shí)，通過(guò)配制不同抗黃萎病品種與感病品種的雙列雜交試驗(yàn)，對(duì)雜交后代進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)了陸地棉品種對(duì)黃萎病的抗性屬微效多基因控制的數(shù)量性狀，以加性效應(yīng)為主，顯性效應(yīng)為次的遺傳規(guī)律，為棉花抗黃萎病性狀相關(guān)基因/QTL的發(fā)掘奠定了理論基礎(chǔ)。基于棉花黃萎病抗性遺傳規(guī)律，對(duì)陸地棉優(yōu)異種質(zhì)群體開(kāi)展棉花抗黃萎病性狀的全基因關(guān)聯(lián)分析研究，挖掘到陸地棉優(yōu)異種質(zhì)材料中蘊(yùn)藏的抗黃萎病基因相關(guān)SSR標(biāo)記位點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)等位基因40個(gè)。在此基礎(chǔ)上，提出了基于優(yōu)勢(shì)等位基因的棉花抗黃萎病性狀的分子鑒定理論，建立了抗黃萎病分子檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了抗病性的全生育期實(shí)時(shí)檢測(cè)，為抗黃萎病育種開(kāi)創(chuàng)了新途徑[8]。

2.3 骨干親本創(chuàng)制

通過(guò)分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)發(fā)掘到的種質(zhì)材料進(jìn)行篩選，獲得含有的抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀的優(yōu)勢(shì)等位基因位點(diǎn)及其分子標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上提出了產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性的協(xié)調(diào)改良策略，即在保留材料優(yōu)質(zhì)性狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)雜交、回交技術(shù)改進(jìn)材料產(chǎn)量性狀，進(jìn)一步利用復(fù)合雜交技術(shù)與分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)快速聚合抗病性、耐鹽性、抗旱性等抗逆性狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性狀的同步改良。創(chuàng)制出綜合性狀優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)9901、墾721，抗病種質(zhì)墾9605，耐鹽種質(zhì)墾901等骨干親本材料。其中，優(yōu)質(zhì)親本材料9901，纖維長(zhǎng)度32.2 mm，比強(qiáng)度32.3 cN/tex，馬克隆值4.2，解決了現(xiàn)有棉花品種纖維品質(zhì)類型單一，纖維強(qiáng)度偏低的問(wèn)題；優(yōu)質(zhì)骨干親本墾721，纖維長(zhǎng)度35.8 mm，比強(qiáng)度33.6 cN/tex，馬克隆值3.9；抗病種質(zhì)墾9605枯萎病指2.1，黃萎病指4.3；耐鹽種質(zhì)墾901在0.5%濃度的鹽脅迫下正常出苗。

2.4 生態(tài)穿梭育種

在骨干親本創(chuàng)制和新品種培育過(guò)程中，將骨干親本材料分別與抗病、耐鹽材料進(jìn)行雜交、回交及復(fù)合雜交，對(duì)雜交后代分別進(jìn)行大田重病地、山東東營(yíng)濱海鹽堿地的抗逆鑒定，輔之以抗病性、耐鹽性的分子檢測(cè)和分子標(biāo)記輔助選擇，并強(qiáng)化對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的選擇，通過(guò)南繁北育、不同生態(tài)區(qū)穿梭選育提高材料適應(yīng)性，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等性狀的同步提高。

2.5 分子標(biāo)記輔選

利用發(fā)掘的棉花抗黃萎病、耐鹽、抗旱、鈴重、衣分等性狀相關(guān)的分子標(biāo)記對(duì)骨干親本材料9901、中棉所41、中棉所35、sGK9708、墾721、墾901、墾9605、墾655等進(jìn)行分子標(biāo)記篩選，獲得上述材料中含有的抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀的優(yōu)勢(shì)等位基因位點(diǎn)及其分子標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)親本雜交、回交對(duì)親本材料中的目標(biāo)性狀優(yōu)勢(shì)等位基因位點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)的分子標(biāo)記檢測(cè)和選擇及分子標(biāo)記輔助選擇，從而實(shí)現(xiàn)了在新品種培育過(guò)程中對(duì)目標(biāo)性狀基因型的直接選擇[9]。

3 “五位一體”復(fù)合育種技術(shù)體系的效果

基于“五位一體”復(fù)合育種技術(shù)，先后育成了抗蟲雜交棉中棉所76（國(guó)審棉2009011），抗蟲常規(guī)棉魯津棉36號(hào)（津?qū)徝?009003號(hào)）、sGK中3017（豫審棉2014002）、魯墾棉37號(hào)（陜審棉2010001號(hào)）、魯墾棉33號(hào)（魯農(nóng)審2009020號(hào)）、仁和39號(hào)（魯農(nóng)審2009023號(hào)）共6個(gè)不同類型的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種，分別通過(guò)國(guó)家、天津、河南、陜西和山東省審定（見(jiàn)表1）。

基于共同育種方法，選育的6個(gè)品種，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗的協(xié)同改良，主要特點(diǎn)如下。

3.1 纖維品質(zhì)優(yōu)良

6個(gè)品種纖維品質(zhì)情況見(jiàn)表2。纖維主體長(zhǎng)度28.5～31.6 mm，比強(qiáng)度29.1～30.8 cN/Tex，馬克隆值4.7～5.0，各項(xiàng)纖維指標(biāo)搭配較好，符合紡織工業(yè)需要。其中，中棉所76纖維主體平均長(zhǎng)度30.8 mm，比強(qiáng)度31.6 cN/Tex，馬克隆值4.4，伸長(zhǎng)率6.6%，反射率72.6%，整齊度指數(shù)85.2%，黃度8.5，紡紗均勻性指數(shù)155，能紡80支以上的高支紗，纖維色澤潔白有光澤，成熟度好，不僅棉紡企業(yè)迫切需要，也因棉花成品外觀好，深受棉農(nóng)的喜愛(ài)，更符合目前機(jī)采棉對(duì)棉花品種纖維品質(zhì)的要求；魯津棉36號(hào)纖維主體平均長(zhǎng)度30.8 mm，比強(qiáng)度31.6 cN/Tex，馬克隆值4.8，伸長(zhǎng)率6.7%，反射率81.9%，整齊度指數(shù)85.6%，紡紗均勻性指數(shù)155，均達(dá)到優(yōu)質(zhì)棉的指標(biāo)要求。

表1 6個(gè)棉花新品種系譜和審定情況表

表2 中棉所76號(hào)和魯墾棉33號(hào)等品種的纖維品質(zhì)情況表

表3 6個(gè)棉花品種抗病性表現(xiàn)型

3.2 綜合抗性好

6個(gè)棉花品種抗病性表現(xiàn)見(jiàn)表3，枯萎病指數(shù)2.5～10.4，均達(dá)到高抗水平；中棉所76、魯墾棉33號(hào)、仁和39號(hào)、魯津棉36號(hào)、sGK中3017黃萎病指數(shù)分別為32.1、22.1、20.1、20.4、21.6屬于耐黃萎病品種；魯墾棉37號(hào)黃萎病指數(shù)為13.4，達(dá)到抗性水平；項(xiàng)目組通過(guò)分子標(biāo)記篩選，檢測(cè)到魯墾棉37號(hào)品種中含有抗黃萎病優(yōu)勢(shì)等位基因位點(diǎn)NAU2627-460、NAU2954-350、NAU3935-290 、NAU5120-550、NAU5233-380、NAU3592-180 、NAU3563-180、NAU5463-190、NAU3935-300、NAU5120-500、NAU5463-190。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所對(duì)靶標(biāo)害蟲抗性效率檢測(cè)結(jié)果表明，6個(gè)棉花品種對(duì)棉鈴蟲的抗性均達(dá)到了高抗水平。另外，這6個(gè)棉花品種均具有較好的抗逆和適應(yīng)性能，既適合純作，也適合間套作，既適合旱薄地種植，也適合高肥水地塊種植。其中，仁和39號(hào)耐鹽特性突出，項(xiàng)目組在東營(yíng)山東省棉花原原種場(chǎng)，對(duì)5個(gè)棉花品種（耐鹽品種中棉所44、鹽敏感品種泗棉3號(hào)、鹽堿地主栽品種魯棉研28號(hào)和中棉所49、耐鹽品種仁和39號(hào)）進(jìn)行耐鹽篩選試驗(yàn)，測(cè)定5個(gè)品種3個(gè)鹽脅迫水平下的出苗率，3個(gè)生育期的葉綠素含量、光合速率、鈉鉀離子含量以及產(chǎn)量。結(jié)果表明：仁和39號(hào)在高鹽濃度200 mmol/L NaCl溶液下，其發(fā)芽率(47%)和發(fā)芽勢(shì)(29%)均高于耐鹽品種中棉所44(35%和22%）；在大田重度鹽堿地（土壤含鹽量0.4%～0.5%）條件下，其出苗率為59.5%，高于中棉所44（57.2%），其皮棉產(chǎn)量為910 kg/hm2比中棉所44增產(chǎn)5.7%，非常適宜鹽堿地種植[10]。項(xiàng)目組通過(guò)分子標(biāo)記篩選，檢測(cè)到仁和39號(hào)含有耐鹽標(biāo)記NAU2580-2、TMB1296-1、NAU3100-1。

表4 6個(gè)棉花新品種在區(qū)域試驗(yàn)中的產(chǎn)量表現(xiàn)

3.3 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)

6個(gè)品種均具有較好的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性，中棉所76于2005～2007年參加黃河流域棉區(qū)中熟雜交春棉區(qū)域試驗(yàn)，前兩年皮棉總產(chǎn)量分別為1411.5 kg/hm2和1395.0 kg/hm2，分別比對(duì)照中棉所41和魯棉研15號(hào)增產(chǎn)12.4%和5.3%；2007年生產(chǎn)試驗(yàn)，皮棉總產(chǎn)量為1302.0 kg/hm2，與魯棉研15號(hào)相當(dāng)。sGK中3017于 2011～2013年參加河南省春棉區(qū)域試驗(yàn)，三年的皮棉總產(chǎn)量分別為1521.0 kg/hm2、1437.0kg/hm2和1575.0 kg/hm2，分別比對(duì)照魯棉研28號(hào)增產(chǎn)6.3%、6.2%和9.8%。魯墾棉33號(hào)于2006～2008年在山東省參加棉花品種區(qū)域試驗(yàn)，2006年和2007年皮棉總產(chǎn)量分別為1624.5 kg/hm2和1465.5 kg/hm2，分別比對(duì)照DP99B和魯棉研21號(hào)增產(chǎn)15.4%、3.2%；2008年在生產(chǎn)試驗(yàn)中的皮棉總產(chǎn)量為1750.5 kg/hm2，比魯棉研21號(hào)增產(chǎn)13.8%。仁和39號(hào)于2006～2008年在山東省參加棉花品種區(qū)域試驗(yàn)，皮棉產(chǎn)量1431.0～ 1680.3 kg/hm2，2006年 比 DP99B增產(chǎn)7.3%，2007年和2008年分別比對(duì)照魯棉研21號(hào)增產(chǎn)7.8%和10.9%。魯津棉36號(hào)于2008～2009年在天津市參加棉花品種區(qū)域試驗(yàn)，皮棉產(chǎn)量1218.0～1966.5 kg/hm2，比對(duì)照魯棉研21號(hào)增產(chǎn)6.17%～12.48%。魯墾棉37號(hào)于2008～2009年在陜西省參加棉花品種區(qū)域試驗(yàn)，其皮棉總產(chǎn)量為1350.0～1425.0 kg/hm2，比對(duì)照中棉所41號(hào)增產(chǎn)6.1%～7.9%。綜合來(lái)看，6個(gè)棉花品種不僅在區(qū)域試驗(yàn)中豐產(chǎn)性好，而且年際間波動(dòng)較小，穩(wěn)產(chǎn)性也好。

在生產(chǎn)示范和規(guī)模化應(yīng)用中，這些品種均表現(xiàn)適應(yīng)性廣，增產(chǎn)潛力大，穩(wěn)產(chǎn)性好。魯墾棉33號(hào)（2010～2011年）在黃河三角洲植棉區(qū)多點(diǎn)示范，平均皮棉產(chǎn)量為1891.5 kg/hm2，較對(duì)照魯棉研28號(hào)增產(chǎn)10.3%[10]。2011年項(xiàng)目組實(shí)施山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項(xiàng)，在山東的三個(gè)植棉區(qū)設(shè)立魯墾棉33號(hào)、仁和39號(hào)示范點(diǎn)6個(gè)，經(jīng)專家測(cè)產(chǎn)驗(yàn)收，魯墾棉33號(hào)皮棉產(chǎn)量平均為1855.5 kg/hm2，較對(duì)照魯棉研28號(hào)增產(chǎn)6.77%；仁和39號(hào)皮棉產(chǎn)量平均為1891.5 kg/hm2，較對(duì)照魯棉研28號(hào)增產(chǎn)8.83%。魯墾棉37號(hào)于2008年在渭南市的大荔縣安仁鎮(zhèn)進(jìn)行新品種展示，平均皮棉產(chǎn)量為1687.5 kg/hm2，比對(duì)照中棉所41增產(chǎn)23.1%，2009年在蒲城縣坡頭鎮(zhèn)示范，平均皮棉產(chǎn)量為1831.5 kg/hm2，較對(duì)照中棉所41增產(chǎn)26.7%；魯津棉36號(hào)于2009年在天津?qū)幒涌h示范種植，平均皮棉產(chǎn)量為1830.0 kg/hm2，比對(duì)照魯棉研21號(hào)增產(chǎn)16.0%。