轉iaaM基因陸地棉雜種F1代主要性狀比較分析

孔清泉 楊兆光 吳振江 劉亞平 謝業濤 肖遠龍

摘要：為探討轉iaaM基因材料的利用價值，2017年以轉iaaM基因種質IF1-1為父本配制雜交組合6個，并分析測定各雜交組合的農藝性狀、產量性狀、纖維品質的競爭優勢及相關性。結果顯示：6個組合的單株成鈴數、纖維上半部平均長度、整齊度、斷裂比強度與對照贛雜棉1號相比，均顯示出正向競爭優勢，iaaM基因可顯著提高纖維長度、纖維整齊度、斷裂比強度;5個組合的衣分具有正向競爭優勢，4個組合的馬克隆值具有負向有利競爭優勢;6個組合的籽指與衣分，籽指與纖維長度均成負相關，說明提高衣分和纖維長度的同時，降低了籽指。

關鍵詞：陸地棉;轉iaaM基因;雜交棉;競爭優勢;比較分析

中圖分類號：S562.035 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-3143（2019）03-0015-06

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.03.004

0 ?引言

棉花是我國重要的經濟作物，棉花產量關系著我國棉農的生計和紡織工業的健康發展。近年來，隨著人口的增加和保證國家糧食安全及糧棉比價的棉價偏低，造成植棉面積逐漸下降。棉花產業的可持續發展必須依靠科技協作與技術創新[1]。提高棉花產量和改善纖維品質是棉花品種改良的兩個重要目標性狀，也是一直困擾棉花育種工作者的棘手問題。自20世紀50年代以來，我國棉花以產量為目標的育種取得了舉世矚目的進展[2-4]，但是棉纖維品質三要素（長度、斷裂比強度、馬克隆值）依然不能很好匹配[5]。試圖從轉基因的角度改良棉花纖維品質，已有較多嘗試[6-8]。西南大學利用胚珠表皮特異啟動子FBP7調控生長素合成基因iaaM（色氨酸單加氧酶）在棉花品種冀棉14中表達，在纖維細胞起始時期特異的積累IAA，促進纖維起始細胞和成熟纖維數量增加，提高了棉花的纖維產量和細度，降低了馬克隆值，實現了棉花纖維產量和品質的同步改良，育成了轉基因棉新種質IF1-1，被列為棉花第二代轉基因新種質材料[9-11]。近年來，國內許多學者圍繞材料IF1-1在改良棉花產量和纖維品質方面進行了有益探索。王國寧，等[12]通過以轉iaaM基因株系IF1-1作父本配制雜交組合，通過系譜法選育獲得6個衣分高、馬克隆值優良的新品系，并證明iaaM基因能夠顯著改良衣分和馬克隆值，并且對籽指、鈴重、單株結鈴數等產量性狀和纖維長度、纖維強度等纖維品質不會造成負面影響。陳旭升，等[13]研究證明：利用iaaM種質作為雜交親本，只要雜交配組適當，培育具有產量優勢的Ⅰ型高品質陸地雜交棉在實踐上是完全可行的。丁曉燕，等[14]研究證明FBP7-iaaM基因能在雜交和回交過程中穩定遺傳，可用于棉花產量和馬克隆值的定向改良。劉存敬，等[15]研究認為以轉iaaM基因為材料配置的雜交組合后代具備選擇出高衣分材料的潛力。

雜種優勢是生物界的一種普遍現象，一般指雜種在生長勢、生活力、抗逆性、產量、品質等方面優于親本的現象，我國是利用雜種優勢最早的國家[16]。利用雜種優勢提高棉花產量、改善纖維品質是一種有效途徑[17-19]。本研究以轉FBP7-iaaM高衣分材料IF1-1為父本配制雜交組合，并對雜交后代進行性狀分析，以進一步明確iaaM基因改善棉花重要經濟性狀的作用，旨在為該基因資源在高品質棉育種中的應用提供理論依據。

1 ?材料和方法

1.1 ?試驗材料與設計

試驗于2017年在江西省棉花研究所科研基地[20]進行，試驗材料共計7個（含對照—本地推廣品種贛棉雜1號），代號為1～7（見表1），三次重復，隨機區組設計。試驗田肥力中等，為多年棉花連作田，且冬季空閑， 2017年4月18日播種，雙膜小拱棚營養缽育苗，期間及時揭膜練苗。5月24日移栽，一畦雙行，行距0.87 m，株距0.48 m，種植密度2.4萬株/hm2。小區面積20 m2。栽后管理與常規大田管理一致，并按時進行主要性狀調查工作。

1.2 ?調查內容

吐絮期在每小區選取中間有代表性的棉花10株，主要調查株高、果枝數、單株成鈴數。每小區隨機采收棉株中部內圍正常開裂棉桃50個，室內進行考種測定單鈴重、鈴殼重、衣分等;考種后各組合取皮棉20 g，送國家棉花纖維品質監督檢驗測試中心（安陽）檢測，對棉纖維上半部平均長度、伸長率、斷裂比強度、整齊度指數、馬克隆值五項纖維指標進行測定。各組合F1的競爭優勢按公式（1）計算。

F1競爭優勢=（F1-CK）/ CK×100%…………（1）

1.3 ?數據統計

采用Microsoft Excel 2007、SAS8.0軟件進行數據統計與分析。

2 ?結果與分析

2.1 ?主要性狀的競爭優勢分析

在農藝性狀及產量性狀方面，由表2和表3分析得知，參試組合的單鈴重整體不高，在5.2～6.0 g，均表現為負向競爭優勢，變異系數5.3%，平均單鈴重5.7 g，明顯低于對照的6.2 g;衣分整體較高，在42.1%～44.2%，平均值為42.8%，兩極值相差2.1個百分點，變異系數1.6%，除組合4的衣分低于對照外，其余組合均高于對照，大部分表現為正向競爭優勢，競爭優勢最高達4.7%;籽指為10.6～12.1 g，平均是11.2 g，大部分組合低于對照的11.8 g，變異系數為5.3%，除6號外，其余均表現負向競爭優勢;衣指為7.9～8.9 g，平均是8.4 g，其中1號和6號表現為正向競爭優勢，競爭優勢分別達1.2%和3.5%;平均單鈴殼重為1.9 g，均明顯低于對照的2.3 g，各組合的單鈴殼重整體較輕，表現為負向競爭優勢;平均單株成鈴數為32.3個，各組合明顯多于對照的25.6個，均表現為正向競爭優勢;平均果枝數為19.7個/株，其中4號和5號組合表現為正向競爭優勢，競爭優勢分別達7.6%和11.1%;籽棉產量為3255.0～4146.0 kg/hm2，兩極值相差達891 kg/hm2，均值為3504.8 kg/hm2，其中1～4號組合的籽棉產量超過對照，表現為正向競爭優勢，分別較對照增產14.5%、8.8%、8.6%、0.3%，且1號組合較對照增產達極顯著水平，2號和3號較對照增產達顯著水平;由于衣分的提高，大部分組合的皮棉增減產率高于相應的籽棉增減產率，但皮棉變異系數10.7%大于籽棉變異系數9.4%。

在品質性狀上，由表4和表5分析可知，各組合上半部平均纖維長度為29.2～30.8 mm，屬于中絨棉等級（28.0～30.9 mm）[21]，兩極值相差為1.6 mm，均值為29.8 mm，均值較對照的28.8 mm長1.0 mm，整體表現出明顯的正向競爭優勢，平均競爭優勢為3.5%，變異系數為2%。

這批組合的整齊度指數為84.0%～87.7%，變異系數為1.5%，均值為86.3%，整體表現為正向競爭優勢。從整齊度指數看，3號和4號組合屬較高檔次（83.0%～85.9%），1號、2號、5號、6號組合屬高檔等級（86%及以上）[21]。

斷裂比強度為29.5～36.3 cN/tex，兩極相差達6.8 cN/tex，與對照相比均呈現正向競爭優勢，且都達到強檔次（29.0～31.9 cN/tex）及以上等級[21]。

馬克隆值變幅為4.8～6.1，組合1號、2號和4號具有負向有利競爭優勢，按馬克隆值統計，組合1符合B2等級（4.3～4.9）[20]。組合5號和6號為正向不利競爭優勢明顯，可能是因馬克隆值與纖維長度呈負相關，導致iaaM基因在改善纖維長度和提高纖維產量的同時，使馬克隆值往不利的方向發展。

纖維伸長率為5.2%～6.2%，平均伸長率5.6%，除1號表現出正向競爭優勢，其余5個組合的伸長率較對照低表現為負向競爭優勢。

整體分析來看，6個組合的纖維品質均較對照優質，尤其是纖維長度、整齊度、斷裂比強度都表現明顯的正向競爭優勢。

2.2 ?主要性狀的相關性分析

表5結果表明，上半部纖維長度與單株鈴數、單鈴重、衣分、斷裂比強度成正相關，與整齊度指數、伸長率、馬克隆值、籽指、衣指、單鈴殼重、果枝數成負相關，說明纖維越長衣分越大、馬克隆值越低、籽指越小;斷裂比強度和馬克隆值、衣分成正相關，與伸長率、籽指、衣指、單鈴殼重、單株鈴數成負相關;馬克隆值與整齊度指數、斷裂比強度、籽指、果枝數成正相關，與伸長率、衣分、衣指、單株鈴數成負相關，與單鈴重成極顯著負相關;衣分與籽指、單鈴殼重、果枝數成負相關，與整齊度指數、斷裂比強度、伸長率、單鈴重成正相關;籽指與整齊度指數、斷裂比強度、單鈴重、衣分、單株鈴數成負相關，與伸長率、衣指、單鈴殼重成正相關;單鈴殼重與整齊度、伸長率、衣分成負相關。

3 ?結論

本試驗通過對6個雜交組合的主要性狀綜合比較分析，組合1號、2號、3號的產量和品質整體上都優于對照，結合本課題2016年試驗結果（楊兆光，等[22]通過對以轉iaaM基因種質IF1-1為父本的雜交組合篩選），獲得了高產優質新材料。說明利用iaaM基因種質作為雜交親本，對提高衣分和改良纖維品質（尤其是增長纖維長度、提高纖維整齊度、增強纖維斷裂比強度）是可行的，適當雜交配組，有培育具有多種優良特性的陸地雜交棉的前景。

4 ?討論

4.1 ?iaaM基因與衣分的關系

IF1-1材料是用胚珠表皮特異啟動子FBP7調控生長素合成基因iaaM，促進纖維起始細胞和成熟纖維數量增加，以提高棉花纖維產量。轉基因獲得的外源基因一般呈顯性遺傳[23-24]，劉存敬，等[15]研究證明iaaM基因是一對顯性遺傳基因。前人研究結果顯示iaaM基因能夠顯著提高棉花衣分[10，12]，本試驗除1號組合的衣分得到顯著提高外，其余組合的衣分變化不是特別明顯，即使衣分有不同程度的增大。然而4號組合的衣分比對照低，可能是由于不同遺傳背景的研究材料所致，也可能是iaaM基因并未通過雜交手段成功轉入雜交親本中。下一步重復試驗計劃應該利用PCR技術檢測后代的iaaM基因，不僅考察組合的競爭優勢，還要進一步探索該類組合的超中優勢及超親優勢，以期不斷探討轉iaaM基因在改良纖維品質的價值的同時，培育出高產優質新品種。

4.2 ?iaaM 基因與籽指的關系

轉基因棉花有一個值得關注的現象，當外源基因導入陸地棉受體后，往往會帶來受體性狀發生一些意想不到的相關變化。季靈艷[25]分析指出，轉iaaM 基因導致陸地棉受體的種仁棉酚含量有所降低。本研究顯示，籽指與纖維長度、整齊度、斷裂比強、衣分等負相關，相關系數分別為-0.803、-0.429、-0.573、 -0.430，6個組合的籽指變異系數為5.3%，除組合6號外，其他組合的籽指均表現負向競爭優勢。陳旭升，等[13]研究顯示，轉iaaM 基因給陸地棉受體帶來一些負向相關變化，種子空癟率上升、種子變小，并推測可能因iaaM 基因誘導棉籽的部分能量被用于種皮短纖維的凸起伸長，以生產長纖維，從而導致種子變小。種子籽指降低，種子變小，可能導致空癟率上升、種子萌發率降低，影響棉籽質量，因此利用轉iaaM基因種質材料時盡量選擇種子較大的材料與之配組。同時進一步探討籽指降低的原因，以確保iaaM基因在提高衣分和改良纖維品質過程中不會出現后代種子萌發率低等不良現象。

參考文獻

[1] 喻樹迅， 張雷，馮文娟. 棉花生產規模化，機械化，信息化，智能化和社會服務化發展戰略研究[J]. 中國工程科學，2016， 18（1）：137-148.

[2] 俞敬忠. 棉花高產品種的設計與選育[J]. 種子，1983（1）：41-44.

[3] 朱紹琳. 棉花高產育種的探討[J]. 中國棉花，1994， 21（4）：11-13.

[4] 喻樹迅，范術麗，王寒濤，等. 中國棉花高產育種研究進展[J]. 中國農業科學，2016，49（18）：3465-3476.

[5] 唐淑榮，彭振，褚平，等. 2012年我國生產領域棉花纖維品質抽檢結果分析[J]. 中國棉花， 2013，40（7）：9-13.

[6] 張震林，周寶良，劉正鑾，等. 外源纖維改良基因對棉花纖維品質的影響研究[J]. 華中農業大學學報，2004，23（2）：192-196.

[7] 李飛飛，吳慎杰，呂芬妮，等. 轉蠶絲心蛋白基因改良了棉花纖維品質[J]. 科學通報，2009， 54（4）：457-462.

[8] 劉宏偉，李南南，苗玉煥，等. 利用FBP：iaaM改良華雜棉H318產量與纖維品質研究[J]. 石河子大學學報（自然科學版），2016，34（02）：133-140.

[9] PEI Yan， ZHENG Xue-lian， ZHANG Mi， et al. Improvements of Fiber Yield and Fiber Fineness by Expressing the iaaM Gene in CottonSeed Coat[J]. Cotton Science， 2008， 20（s1）： 44.

[10] Mi Zhang， Xuelian Zheng， Shuiqing Song， et al. spatiotemporal manipulation of auxin biosynthesis in cotton ovule epidermal cells enhances fiber yield and quality[J]. Nature Biotechnology， 2011， 29（5）： 453-458.

[11] 杜雄明，孫君靈，周忠麗， 等.棉花胚珠和葉片激素含量與纖維性狀的相關分析[J].西北植物學報，2004，24（12）：2296-2302.

[12] 王國寧， 張桂寅，吳立強， 等. 轉iaaM 基因高衣分棉花新種質材料創制[J]. 中國棉花，2014，41（7）： 27-30.

[13] 陳旭升，狄佳春，趙亮. 轉iaaM基因陸地棉種質系的經濟性狀及其雜種F1表達特征[J]. 中國農學通報， 2018，34（25）：21-25.

[14] 丁曉艷，趙娟，錢山山，等. 利用FBP7： iaaM轉基因材料同步改良短季棉品種晉棉11纖維產量和品質[J]. 作物學報，2018，44（8）：1152-1158.

[15] 劉存敬，江振興，張建宏，等. 轉iaaM 高衣分棉花種質IF1-1雜種優勢分析及育種應用. 河北農業科學， 2016，20（3）：70–74.

[16] 張天真. 作物育種學總論[M]. 北京：中國農業出版社，2005.

[17] 李永旗，崔愛花，張麗娟，等. 10個雜交組合高產與優質競爭優勢分析[J]. 棉花科學， 2015，37（4）：17-21.

[18] 張凱，魯寧寧，陳偉，等. 棉花雜交組合F1、F2高產優質性狀分析[J]. 中國棉花， 2018， 45（10）： 22-27.

[19] 劉亞平，楊兆光，肖遠龍，等. 抗草甘膦雜交棉超親和競爭優勢的分析[J]. 棉花科學，2015，37（6）：23-30.

[20] 孔清泉，楊兆光，吳振江，等. 陸地棉R系列品系與抗草甘膦品系雜交F1代主要性狀優勢分析[J]. 棉花科學， 2019， 41（4）：19-23.

[21] 楊偉華，許紅霞，王延琴，等. NY/T 1426-2007.棉花纖維品質評價方法[S]. 中華人民共和國農業部，2007-09-14（發布日），2007-12-01（實施日）.

[22] 楊兆光，肖遠龍，吳振江，等. 轉iaaM基因種質IF1-1作父本的雜交組合競爭優勢分析[J]. 棉花科學，2017，39（6）：10-14.

[23] Vaeck M， Reynaerts A， Hofte H， et al. Transgenic plants protected from insect attack[J]. Nature， 1987， 328（6125）：33-37.

[24] Perlak F J， Fuchs R L， Dean D A， et al. Modification of the coding sequence enhangces plant expression of insect control protein genes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 1991， 88（8）： 3324-3328.

[25] 季靈艷. 外源iaaM基因對于轉基因棉花體內的激素、棉酚和根系分泌物的影響[D]. 杭州：浙江大學，2015.