澳大利亚棉花生产及育种概况

赵云雷，王红梅，刘传亮

（中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

为了进一步加强与澳大利亚在棉花遗传育种研究领域的合作，2019年3 月，在中国农业科学院科技创新工程的资助下，作者3 人对澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，简称 CSIRO）位于纳拉布赖（Narrabri）的澳大利亚棉花研究所和位于堪培拉（Canberra）的黑山实验室进行了为期8 d 的学术交流。 考察团针对我国棉花育种现状，与澳方专家进行了充分交流，进一步了解了澳大利亚棉花生产、育种情况，现总结如下，供国内同行参考。

1 澳大利亚棉花生产概况

澳大利亚棉花种植带主要分布在北部和东南部的昆士兰州和新南威尔士州，年种植面积在16万～60 万hm2。 澳大利亚棉花单产居世界首位，皮棉平均产量 1 600 kg·hm－2以上[1]。澳大利亚植棉机械化程度高，棉花从播种、田间管理到收获全部实现机械化。 在棉花播种方面，已经实现了机械播种与种子编号识别的同步进行； 在棉花收获方面，可以同时对单行区及多行区进行机械收花操作。

澳大利亚棉花生产主要面临干旱问题，由于棉花种植区域干旱少雨，棉花生产主要依靠灌溉，灌溉棉田占全国总面积的80%～90%[2]。另外，政府对地下水开采有限制，其棉花灌溉用水主要来自降雨，是典型的雨养棉花。

棉花病害主要有黄萎病、枯萎病、根腐病、烂铃病等，害虫有棉铃虫、红蜘蛛、白粉虱等，逆境胁迫有冰雹、干旱、高温、板结等。 在病虫害防治技术方面，一是筛选抗病资源材料，通过育种措施提高对病害的抗性；二是通过多种防治措施的整合来控制虫害。 这些防治措施包括：（1）种植抗虫品种，包括商业化的转Bt基因抗虫棉品种和种间杂交培育的抗红蜘蛛品种；（2）破坏害虫越冬的食源，如种子；（3）在棉田周围种植诱捕作物；（4）棉田释放害虫的天敌或寄生虫，并定期统计害虫与天敌或寄生虫的动态变化；（5） 利用虫害的防治阈值合理指导害虫防治；（6） 优先选用可以保护天敌或寄生虫的杀虫剂；（7） 在迫不得已的情况下才使用广谱杀虫剂；（8）允许对非经济性状产生危害的害虫存在。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织在纳拉布赖、堪培拉、吉郎（Geelong）等地设有棉花研究机构。 其中，位于纳拉布赖市的澳大利亚棉花研究所主要从事棉花育种、植保、栽培生理、营养、耕作制度等方面研究，位于堪培拉的CSIRO 总部棉花改良实验室主要从事分子标记、纤维发育、棉铃虫基因组等方面研究，位于吉郎的棉花机构主要研究轧花或脱叶过程对纤维品质的影响，从而来改进轧花及纺织设备。

2 澳大利亚棉花育种概况

澳大利亚棉花育种历史悠久，1972年CSIRO棉花研究所成立，1983年开始向市场释放棉花品种，截至目前共释放了108 个棉花品种，其中包括41 个常规品种和67 个转基因品种。 研究表明，澳大利亚棉花品种对产量的贡献在50%左右，管理措施对产量的贡献在30%左右，品种和管理措施的相互作用对产量也起一定的作用[3]。

2.1 育种目标

澳大利亚棉花育种目标主要包括高产、 优质、广适、抗逆、抗病虫等，其中对抗虫性状的研究主要集中在将转基因抗虫性状与抗除草剂性状聚合方面。 在棉花纤维品质育种目标方面，目前澳大利亚主推棉花品种纤维长度平均为28.66 mm，范围分布在 26～31 mm 档，其中 28 mm 和 29 mm 档的棉花所占比例分别为46.98%和25.80%，31 mm 档占0.3%，26 mm 档占2.94%[4]。当前纤维品质育种目标主要是针对未来的市场需求： 陆地棉品种HVI（High volume instruments）测定的合格级纤维品质标准是纤维长度 30 mm、断裂比强度31 cN·tex－1、马克隆值3.9～4.5，该品质类型改良的重点方向是断裂比强度和马克隆值；优质级纤维品质标准是长度 32 mm、断裂比强度 32～34 cN·tex－1、马克隆值3.8～4.2，该品质类型改良的重点方向是追求高品质和市场竞争力。 海岛棉品种HVI 测定的合格级纤维品质标准是长度36 mm、 断裂比强度45 cN·tex－1、马克隆值 3.8～4.0，该品质类型改良的重点方向是超长、超强和综合品质优良。

2.2 育种技术

CSIRO 棉花研究所的棉花育种包括2 个部分：常规棉花育种和转基因棉花育种，前者占育种工作量的60%左右，后者占40%左右。 因为大部分农艺性状的改良主要靠传统的常规育种手段，所以育种者把大部分时间花在培育常规棉品种上。 但是，由于目前农民不喜欢种植常规棉品种，在育种中常规棉育种材料每年只安排5～6 个试验点，而转基因材料（抗虫、抗除草剂）每年安排10～20 个点；而且培育出的常规棉品种，还要进一步与转基因品种进行杂交来培育新的转基因品种。

2.2.1棉花常规育种。澳大利亚的常规棉花品种包括：（1）Siokra 系列品种如 Siokra1-4、SiokraL22、SiokraS324 等，这类品种主要是鸡脚叶类型品种；（2）CS 系列品种如 CS189、CS50、CS7s 等，这类品种品质性状突出；（3）Sicala 系列品种如 Sicala34、SicalaV1 等，这类品种抗枯黄萎病性状突出[5]。在常规棉品种培育方面，首先将亲本在田间进行杂交，在温室进行加代，对F2单株进行产量、品质、配合力测试，留下30%左右的单株种成株行；再针对株行进行一系列的产量比较试验及多点试验，经多点试验后，将种子交给种子公司，由种子公司进行繁殖、制种，并进行大规模的生产试验和商业化推广。

与我国不同，澳大利亚棉花新品种的区域试验是由育种单位自己承担，区域试验所需的经费来自种业公司。 第一年，育种单位对自己选育的比较好的新品系，在东部棉花带从南到北选择17 个试验点进行多点试验，根据多点试验结果选出表现较好的10 个材料，每个材料向种子公司提供一定量的种子，由种子公司对这10 个材料进行第二年的区域试验；经过第二年的区试，从这10 个材料保留5个材料进行第三年的区试；经过第三年区试，只选出2 个品种进行生产推广，且这2 个品种一定要比生产上推广的对照品种有优势，这样才能得到农民的认可。

2.2.2棉花转基因育种。澳大利亚商业化种植的转基因棉花品种有保铃1 号（Ingard，含有cry1Ac 抗虫基因）、保铃 2 号（Bollgard II，含有cry1Ac＋cry2Ab 抗虫基因）、保铃 3 号（Bollgard III，含有cry1Ac＋cry2Ab＋vip抗虫基因） 等抗虫转基因棉花品种和 Roundup Ready、Roundup Ready Flex、Liberty Link、Xtend 等抗除草剂转基因品种。澳大利亚从1996年开始种植转基因棉花品种保铃1 号，2003年种植保铃 2 号，2015年种植保铃 3 号。 这些转基因棉品种最初由孟山都公司或拜耳公司提供，孟山都公司或拜耳公司与澳大利亚种子公司签订商业协议，澳大利亚种子公司资助育种单位进一步把转基因性状转入自己的品种中，新品种的所有权属于孟山都公司或拜耳公司和澳大利亚种子公司。新品种商业化后，孟山都公司再向农民授权进行种植，并收取一定的费用，抗除草剂品种的种植费用目前为每公顷380 元（79 澳元），同时抗虫和抗除草剂的品种种植费用为每公顷1 900 元（401 澳元）。

在新的转基因棉花品种研发上面，一是利用商业化转基因品种与澳大利亚国内培育的品种进行杂交、回交，将孟山都公司的抗虫基因或其他基因导入现有的品种中，从而培育新的优良转基因品种；二是直接进行不同转基因品种间的杂交来聚合多个目标性状基因，进一步通过性状筛选和单株选择获得新的转基因品种。目前的工作是将保铃3 号与不同的抗除草剂品种进行杂交，培育既抗虫又抗除草剂的新品种。

在转基因检测方面，CSIRO 作物改良实验室建有严格的转基因检测管理制度，转基因检测实验室与其他实验室严格隔离，其耗材及废弃物要经过专业处理及销毁。实验室目前大量的转基因检测工作是对保铃3 号与抗草甘膦棉花杂交后代的分子检测，从而筛选获得聚合不同抗棉铃虫基因与抗草甘膦基因的转基因棉花植株。

2.2.3分子标记辅助育种。在纤维品质性状改良方面，除了利用常规育种方法外，目前正在积极研发棉花前育种 （Pre-breeding） 与传统育种的集成技术： 通过将基础研究的纤维发育相关基因（MYB、PME、NAC）进行全基因组选择标记的开发，并将其用于育种选择；同时结合抗虫、抗除草剂性状相关标记，进行优质、抗虫、抗除草剂性状的聚合，在此基础上进行产量、适应性、抗病性、抗逆性、水分利用效率等第三方性状的导入，最终实现对产量、品质、抗性的集成育种改良。

在棉花抗病性研究方面，CSIRO 作物改良实验室主要进行棉花抗病相关的分子标记发掘研究，该实验室通过温室抗病性鉴定获得1 个高抗黄萎病的亚洲棉材料；进一步通过染色体加倍并与四倍体棉花杂交获得四倍体棉花抗病材料，利用该四倍体棉花抗病材料与现有棉花品种进行杂交、 回交，对抗病性进行改良。 在抗病性改良过程中，材料的抗病性鉴定主要在温室进行，利用抗病相关的分子标记对回交后代进行辅助选择，同时进行轮回亲本的背景选择。抗病相关的分子标记主要来自前期的数量性状位点（Quantitative trait loci，QTL）定位结果，同时利用田间抗病表型数据对分子标记的选择效果进行验证。