棉花遗传育种现状及展望

张树伟，马燕斌，孙璇，吴霞，王新胜，李燕娥

（山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000）

棉花遗传育种现状及展望

张树伟，马燕斌，孙璇，吴霞，王新胜，李燕娥

（山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000）

棉花是我国重要的经济作物，新品种的选育和应用对我国棉花产业的发展具有重要意义。综述了不同育种方式在棉花遗传育种中应用的现状，指出目前我国棉花新品种选育进展缓慢，抗病虫、抗除草剂、抗逆、高产、高纤维品质、无酚棉、彩色棉等优良品种资源缺乏，高光效、高产、新型抗虫抗病等优良基因的挖掘和利用不足。并针对性地提出必须进一步加强传统育种和现代分子育种手段的有效结合，进行基础研究和目标育种，不断优化和改进育种方式，扩大我国棉花产业的优势，提高我国棉业的国际竞争力。

杂交育种；诱变育种；分子标记；转基因技术

棉花以其独特的性质，既可作为纤维研究的模式生物，也可因其含有丰富氨基酸而作为优质蛋白供给源，从而被广泛关注。传统的棉花育种主要以杂交育种为主，且取得了长足的进展并获得了较好的社会效益和经济效益。但棉花品质性状和产量性状在遗传上呈负相关[1-2]关系，其在一定程度上制约了传统育种在性状改良上的更大突破。

随着生物技术领域的不断发展，利用基因工程手段可以将不同植物的基因融合在一起，可以把某一个植物的优良性状转移到棉花上，或者把棉花自身的某一个不良性状去除，从而人为地定向改变其生物性状。这种方式可以打破物种的生殖隔离，为现代棉花育种以及棉花种质资源的创新提供新的思路。

1 杂交育种

杂种优势是自然界的普遍现象，具有不同性状的亲本杂交产生的后代通常在适应性、繁殖力、产量、品质、对不利环境抵抗性等方面都有超越双亲的表现。因此，杂交育种在棉花遗传育种领域有广泛的利用空间。我国棉花种业研究始于20世纪20年代，到目前共经历了7次换种[3]，从1919年引入金字棉到建国初期种植的陆地棉品种基本都是从国外引进。到20世纪六七十年代棉花的第4次换种，才主要推广自育杂交品种，如黄河流域中棉所7号、豫棉1号等，长江流域的鄂棉6号、泗棉3号等，结束了国外品种占主导地位的局面。20世纪80年代末90年代初的第6，7次换种，分子技术及基因工程技术被逐渐应用到棉花育种并发展开来，逐渐获得大批优质多抗品种，如转基因抗棉铃虫品种中棉所37、中棉所38、国抗棉1号等。而从7次大规模换种可以看出，我国棉花育种发展趋势从引进棉花种质到自育优良品种，从追求丰产到追求抗病、丰产、早熟、纤维品质等多个方面兼顾，从传统育种到与新技术结合育种，但无论新技术如何快速发展，杂交育种都有其天然的生物界优势，在过去、现在、未来的相当长一段时间都会得到充分的利用。

2 诱变育种

突变是自然界生物进化的本质来源，但生物在自然状态下突变率极低，严重制约了生物进化的速度。而通过人工诱变手段则可以极大提高生物突变率，在作物品种改良上发挥重要的作用。我国作物诱变育种开始于20世纪50年代，起步虽晚，但进展较快。目前，常用的作物诱变育种方式有物理诱变和化学诱变2种。其中，物理诱变主要是辐射，如电子束、激光、紫外线、X射线、γ射线、宇宙射线等诱变。化学诱变也是育种研究中常用的一种诱变因素，常用的有烷化剂、叠氮化合物、碱基类似物、亚硝基化合物等。沈法富等[4]利用棉花花粉管通道，把叠氮化钠诱变剂直接导入鲁棉6号子房，发现在合子期诱变比在种子期诱变的变异多，变异幅度更宽，并选育出早熟棉花品系OM24。

3 分子育种

分子育种在棉花上的应用起步较晚，但成效显著。国家“863”重大项目和“973”重大理论基础项目实施以来，包括抗病虫、抗逆、高产、优质纤维等一系列棉花优良品种不断被培育出来，为棉花在经济作物中的地位奠定了坚实的基础。

3.1 分子标记育种

分子标记最早应用于棉花的手段是限制性片段长度多态性（RFLP）标记，但由于当时技术有限，方法不够完善，仅作为试探性工作。随着棉花DNA提取和纯化技术的突破，棉花分子研究得到快速的发展。特别是20世纪90年代，美国、俄罗斯、澳大利亚等国相继报道了棉花RFLP及RAPD的研究[5]，Tatineni[6]通过对棉花16个种间杂交后代分别进行形态学性状分析和RAPD标记分析，指出2种分析方法的聚类分析结果大致相同。Zhang等[7]在AFLP标记的基础上开发了cAFLP和AFLP-RGA标记，并在陆地棉应用中获得了较高的多态性。陆才瑞等[8]开发了一种功能型分子标记ISAP，该标记基于标记位点和基因内含子序列的联系，在棉花种间同样也产生了较高的扩增多态性。吴大鹏等[9]、宿俊吉等[10]利用SSR分子标记对不同棉花品种的种质资源的遗传多样性进行分析，均发现SSR标记具有丰富的遗传多样性，指出其不同标记在辅助选择中具有更广泛的应用前景。

3.2 转基因育种

我国棉花的生物技术研究起始于20世纪80年代，是继美国之后的第2个自主研究转基因棉花的国家。棉花转基因技术的主要原理是利用物理、化学、生物学等方法把外源基因导入棉花基因组并使之顺利表达，从而改变棉花的某些特定性状，产生可遗传的变异。目前，棉花常用的转基因方法主要有3种：花粉管通道法、基因枪轰击法和农杆菌介导法。

3.2.1 花粉管通道法花粉管通道法最早是在20世纪80年代由Zhou等[11]提出，指出小片段外源DNA杂交假说，认为外源基因注入植物体后，虽然大部分DNA被降解，但有部分片段短小的基因以冈崎片段的形式整合到植物基因组，影响植物性状的改变并产生稳定遗传。谢道昕等[12]首次利用花粉管通道法将Bt杀虫基因导入我国棉花品种无毒棉、中棉12中，成功获得了转基因抗虫棉植株。此后许多利用花粉管通道法转化棉花获得转基因棉花后代的报道也不断出现[13]。

3.2.2 基因枪轰击法基因枪轰击法又称微弹轰击法，该技术在棉花中的应用报道最早见于1990年。Finer等[14]利用粒子轰击将携带潮霉素抗性的DNA导入陆地棉的胚性细胞，并通过组织培养获得潮霉素抗性再生植株。其后，研究者们对该技术不断试验探索，利用多次轰击和抗性梯度筛选来提高转化频率[15]；选择适合轰击的受体，如棉花下胚轴、茎尖分生组织、胚性愈伤组织、悬浮培养细胞等[16]，都取得了较好的效果。

3.2.3 农杆菌介导法农杆菌介导的遗传转化是目前转化机制清楚、利用最广的一种技术。早在1987年国外就有报道，利用农杆菌介导的棉花转化并得到转基因植株[17-18]。

山西省农业科学院棉花研究所生物技术研究室最早于1992年利用农杆菌介导法将除草剂tfdA基因导入陆地棉品种晋棉7号，并成功获得抗除草剂转基因棉花[19]，后与中国农科院生物中心、中国科学院遗传所、中国科学院微生物所等单位合作，利用农杆菌介导法于1998年培育出国内首个转Bt抗虫棉品种晋棉26号[20]。其后，不断完善和优化农杆菌介导的棉花遗传转化体系，极大提高了棉花转化效率，相继获得了20多个晋棉系列转基因抗虫棉新品种[21-22]，如晋棉26号、晋棉31号、晋棉38号、晋棉44号、晋棉50号、晋棉54号、SZ01等。到目前为止，该研究室应用比较成熟的农杆菌介导棉花高效转化流程如图1所示。

4 展望

随着全球水资源缺乏、极端天气频现以及我国棉花种植面积不断减少的趋势，育种学家在抗病虫、耐逆（盐碱、旱、除草剂等）、高产等棉花新品种选育方面还有很长的路要走[23]。目前，我国棉花遗传育种存在的主要问题有：棉花种质资源不够丰富，不同棉花品种遗传多样性差异大，优良的核心种质资源缺乏；常规育种周期长，严重制约了新品种选育的速度；高产、耐逆、抗病虫等功能基因资源有限，新型优良基因仍有待挖掘；转基因技术等体系不完善，许多分子机理未阐明，如何提高遗传转化率需要不断探索和优化。因此，今后我国棉花育种要取得新的突破，仍然要坚持常规育种和现代分子育种相结合，长期深入发掘和克隆新型优质基因，扩充棉花种质资源库，加强多学科多领域的协作，把各种育种技术有效地综合利用，提高现代棉花育种水平。

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

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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

国家转基因生物新品种培育重大专项（2014ZX08010-003）；国家自然科学基金项目（31201253）

张树伟（1987-），男，山西晋城人，研究实习员，硕士，主要从事棉花优质基因克隆及棉花遗传转化研究工作。李燕娥为通信作者。