优质多抗棉花品种五位一体育种技术体系构建与应用

王桂峰，王红梅，魏学文，赵云雷，陈伟，刘文龙，陈玲，李娟

（1.山东省农垦科技发展中心，山东 济南 250013；2.中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000；3.金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沂276700；4.青岛市黄岛区科学技术局，山东 青岛266000；5.青岛市黄岛区王台镇经管统计服务中心，山东 青岛266000）

0 引言

棉花是全球最大的天然纤维作物和纺织工业的主要原料，在整个经济社会发展中具有举足轻重的地位和作用。我国是世界最大的棉花生产国（占全球25.5%）和消费国（占全球34.3%），也是最大的纺织品、服装生产国和出口国[1]。近年来，随着我国纺织业的快速发展，原棉消费量急剧加大，棉纺织原料供需缺口扩大到400万吨，这一缺口相当于世界第二大棉花生产国美国棉花总产的60%[2]。在棉花市场供需方面，一方面国产棉大量积压， 棉麻公司负债经营，另一方面纺织业发展需要大量进口原棉。造成“国棉入库、洋棉入市”的被动局面，对我国棉花生产可持续发展形成极为不利的影响。究其原因， 除与国产棉价格高于进口棉外，与我国棉花品质结构和品种结构有着直接关系。由于我国现有棉花品种遗传基础狭窄、品种类型较单一，在品质、抗性等方面难以满足不同植棉模式对品种的需求，严重制约黄河流域棉区棉花生产可持续发展。因此，作者总结了这种“五位一体”技术，为同仁们借鉴与参考，旨在解决优质多抗棉花品种不足的问题。

1 棉花品种的优质多抗是促进棉花生产发展的首要需求

20世纪90年代，为解决棉铃虫对棉花生产的危害，美国率先培育出转Bt基因抗虫棉，并于1996年获准进行商业化生产，实现了对棉铃虫和红铃虫等鳞翅目害虫的有效控制，大大降低了广谱性化学杀虫剂的应用，提高了棉花单位面积产量和效益，给棉花生产带来一次巨大的技术变革。我国于1997年开始引进种植美国转基因抗虫棉品种，并迅速在黄河流域棉区和长江流域棉区大面积推广应用，有效缓解了棉铃虫对棉花的为害。但当时转基因抗虫棉种质依然匮乏，遗传基础狭窄，品种类型单一，同质化严重。直接表现是：一方面品种产量和抗性难以满足不同种植制度和不同生态区的要求，特别是近年来在农业结构调整和粮食安全战略的大背景下，我国棉花生产不断向盐碱地缩居位移，加之老棉区棉花黄萎病呈现高发态势，生产中急需耐盐和抗病性优良的棉花品种；另一方面，棉花品种品质又难以满足纺织业的多样化需求，多年来，黄河流域推广应用的棉花品种，纤维长度偏短，强度偏低（比美棉低1～2 cN/tex），缺乏纺60支以上纱的优质原棉。因此培育优质、丰产和抗性强的棉花品种已成为促进棉花生产发展的首要需求。

2 黄河流域棉区优质多抗棉花品种“五位一体”复合育种技术体系的构建

针对黄河流域棉区棉花生产中，长期存在纤维品质不优和抗病耐盐棉花品种缺乏的问题，从21世纪初开始，中国农业科学院棉花研究所、山东省农垦科技发展中心等单位紧密合作，围绕棉花优质抗病耐盐品种选育深入开展了系统研究，在实践中，总结出“五位一体”的复合育种技术体系。该育种技术体系是针对黄河流域棉区棉花生态条件和不同棉花耕作制度特点，集“优异种质发掘、骨干亲本改良、性状精准鉴定、生态穿梭育种、分子标记辅选”五位于一体。该技术创新了黄河流域棉区棉花品质、产量和抗病性的协同改良技术途径。

2.1 优异种质发掘

广泛收集国内外种质资源，对其中不同来源、有代表性的优异种质材料进行遗传多样性分析，对抗病性、耐盐性、抗旱性、铃重、衣分等重要性状进行了分析鉴定。结果发现美国来源的种质材料的遗传多样性要高于中国来源的材料，但是中国陆地棉种质具有更高的遗传变异范围，并且在美国材料与中国材料间存在最大的遗传距离，从而为陆地棉品种的遗传改良指明了方向[3]。进一步研究表明，我国现有陆地棉品种在抗病性、耐盐性、抗旱性、铃重、衣分等性状上存在广泛的变异，其中，抗黄萎病相对病指变化范围为10.10～76.6，在0.3%浓度盐胁迫下的出苗率变化范围为0.47%～93.98%，在15%PEG6000旱胁迫下的隶属函数值变化范围在0～1。通过遗传多样性分析和不同农艺性状鉴定，筛选到具有特殊利用价值的不同类型棉花种质和中间材料239份，包括高产、抗病种质62份，高产、优质转基因抗虫种质83份，耐盐材料10份，抗旱材料46份。这些种质材料的发掘为新品种培育奠定了基础。

2.2 性状精准鉴定

对发掘到的优异种质资源，采用分布于棉花全基因组的SSR分子标记对抗病性、耐盐性、抗旱性、铃重、衣分等性状进行关联分析，共获得54个与抗黄萎病性状显著相关、8个与耐盐性状显著相关、15个与抗旱性显著相关、10个与铃重显著相关、8个与衣分显著相关的SSR分子标记；检测到衣分与耐盐性显著相关的分子标记材料1个，抗病性和抗旱性显著相关的分子标记材料2个，铃重、抗旱性和耐盐性同时显著相关的分子标记材料1个，铃重、衣分和耐盐性同时显著相关的分子标记材料1个[4-7]。同时，通过配制不同抗黄萎病品种与感病品种的双列杂交试验，对杂交后代进行遗传分析，发现了陆地棉品种对黄萎病的抗性属微效多基因控制的数量性状，以加性效应为主，显性效应为次的遗传规律，为棉花抗黄萎病性状相关基因/QTL的发掘奠定了理论基础。基于棉花黄萎病抗性遗传规律，对陆地棉优异种质群体开展棉花抗黄萎病性状的全基因关联分析研究，挖掘到陆地棉优异种质材料中蕴藏的抗黄萎病基因相关SSR标记位点及其优势等位基因40个。在此基础上，提出了基于优势等位基因的棉花抗黄萎病性状的分子鉴定理论，建立了抗黄萎病分子检测技术，实现了抗病性的全生育期实时检测，为抗黄萎病育种开创了新途径[8]。

2.3 骨干亲本创制

通过分子标记技术对发掘到的种质材料进行筛选，获得含有的抗病性、耐盐性、抗旱性、铃重、衣分等性状的优势等位基因位点及其分子标记，在此基础上提出了产量、品质、抗逆性的协调改良策略，即在保留材料优质性状的基础上，通过杂交、回交技术改进材料产量性状，进一步利用复合杂交技术与分子标记辅助选择技术快速聚合抗病性、耐盐性、抗旱性等抗逆性状，实现对丰产、优质、抗逆性状的同步改良。创制出综合性状优良的优质种质9901、垦721，抗病种质垦9605，耐盐种质垦901等骨干亲本材料。其中，优质亲本材料9901，纤维长度32.2 mm，比强度32.3 cN/tex，马克隆值4.2，解决了现有棉花品种纤维品质类型单一，纤维强度偏低的问题；优质骨干亲本垦721，纤维长度35.8 mm，比强度33.6 cN/tex，马克隆值3.9；抗病种质垦9605枯萎病指2.1，黄萎病指4.3；耐盐种质垦901在0.5%浓度的盐胁迫下正常出苗。

2.4 生态穿梭育种

在骨干亲本创制和新品种培育过程中，将骨干亲本材料分别与抗病、耐盐材料进行杂交、回交及复合杂交，对杂交后代分别进行大田重病地、山东东营滨海盐碱地的抗逆鉴定，辅之以抗病性、耐盐性的分子检测和分子标记辅助选择，并强化对产量、品质性状的选择，通过南繁北育、不同生态区穿梭选育提高材料适应性，最终实现产量、品质、抗逆性等性状的同步提高。

2.5 分子标记辅选

利用发掘的棉花抗黄萎病、耐盐、抗旱、铃重、衣分等性状相关的分子标记对骨干亲本材料9901、中棉所41、中棉所35、sGK9708、垦721、垦901、垦9605、垦655等进行分子标记筛选，获得上述材料中含有的抗病性、耐盐性、抗旱性、铃重、衣分等性状的优势等位基因位点及其分子标记，在此基础上，通过亲本杂交、回交对亲本材料中的目标性状优势等位基因位点进行了连续的分子标记检测和选择及分子标记辅助选择，从而实现了在新品种培育过程中对目标性状基因型的直接选择[9]。

3 “五位一体”复合育种技术体系的效果

基于“五位一体”复合育种技术，先后育成了抗虫杂交棉中棉所76（国审棉2009011），抗虫常规棉鲁津棉36号（津审棉2009003号）、sGK中3017（豫审棉2014002）、鲁垦棉37号（陕审棉2010001号）、鲁垦棉33号（鲁农审2009020号）、仁和39号（鲁农审2009023号）共6个不同类型的转基因抗虫棉新品种，分别通过国家、天津、河南、陕西和山东省审定（见表1）。

基于共同育种方法，选育的6个品种，实现了优质、高产、多抗的协同改良，主要特点如下。

3.1 纤维品质优良

6个品种纤维品质情况见表2。纤维主体长度28.5～31.6 mm，比强度29.1～30.8 cN/Tex，马克隆值4.7～5.0，各项纤维指标搭配较好，符合纺织工业需要。其中，中棉所76纤维主体平均长度30.8 mm，比强度31.6 cN/Tex，马克隆值4.4，伸长率6.6%，反射率72.6%，整齐度指数85.2%，黄度8.5，纺纱均匀性指数155，能纺80支以上的高支纱，纤维色泽洁白有光泽，成熟度好，不仅棉纺企业迫切需要，也因棉花成品外观好，深受棉农的喜爱，更符合目前机采棉对棉花品种纤维品质的要求；鲁津棉36号纤维主体平均长度30.8 mm，比强度31.6 cN/Tex，马克隆值4.8，伸长率6.7%，反射率81.9%，整齐度指数85.6%，纺纱均匀性指数155，均达到优质棉的指标要求。

表1 6个棉花新品种系谱和审定情况表

表2 中棉所76号和鲁垦棉33号等品种的纤维品质情况表

表3 6个棉花品种抗病性表现型

3.2 综合抗性好

6个棉花品种抗病性表现见表3，枯萎病指数2.5～10.4，均达到高抗水平；中棉所76、鲁垦棉33号、仁和39号、鲁津棉36号、sGK中3017黄萎病指数分别为32.1、22.1、20.1、20.4、21.6属于耐黄萎病品种；鲁垦棉37号黄萎病指数为13.4，达到抗性水平；项目组通过分子标记筛选，检测到鲁垦棉37号品种中含有抗黄萎病优势等位基因位点NAU2627-460、NAU2954-350、NAU3935-290 、NAU5120-550、NAU5233-380、NAU3592-180 、NAU3563-180、NAU5463-190、NAU3935-300、NAU5120-500、NAU5463-190。中国农业科学院棉花研究所对靶标害虫抗性效率检测结果表明，6个棉花品种对棉铃虫的抗性均达到了高抗水平。另外，这6个棉花品种均具有较好的抗逆和适应性能，既适合纯作，也适合间套作，既适合旱薄地种植，也适合高肥水地块种植。其中，仁和39号耐盐特性突出，项目组在东营山东省棉花原原种场，对5个棉花品种（耐盐品种中棉所44、盐敏感品种泗棉3号、盐碱地主栽品种鲁棉研28号和中棉所49、耐盐品种仁和39号）进行耐盐筛选试验，测定5个品种3个盐胁迫水平下的出苗率，3个生育期的叶绿素含量、光合速率、钠钾离子含量以及产量。结果表明：仁和39号在高盐浓度200 mmol/L NaCl溶液下，其发芽率(47%)和发芽势(29%)均高于耐盐品种中棉所44(35%和22%）；在大田重度盐碱地（土壤含盐量0.4%～0.5%）条件下，其出苗率为59.5%，高于中棉所44（57.2%），其皮棉产量为910 kg/hm²比中棉所44增产5.7%，非常适宜盐碱地种植[10]。项目组通过分子标记筛选，检测到仁和39号含有耐盐标记NAU2580-2、TMB1296-1、NAU3100-1。

表4 6个棉花新品种在区域试验中的产量表现

3.3 高产稳产

6个品种均具有较好的丰产稳产性，中棉所76于2005～2007年参加黄河流域棉区中熟杂交春棉区域试验，前两年皮棉总产量分别为1411.5 kg/hm2和1395.0 kg/hm2，分别比对照中棉所41和鲁棉研15号增产12.4%和5.3%；2007年生产试验，皮棉总产量为1302.0 kg/hm2，与鲁棉研15号相当。sGK中3017于 2011～2013年参加河南省春棉区域试验，三年的皮棉总产量分别为1521.0 kg/hm2、1437.0kg/hm2和1575.0 kg/hm2，分别比对照鲁棉研28号增产6.3%、6.2%和9.8%。鲁垦棉33号于2006～2008年在山东省参加棉花品种区域试验，2006年和2007年皮棉总产量分别为1624.5 kg/hm2和1465.5 kg/hm2，分别比对照DP99B和鲁棉研21号增产15.4%、3.2%；2008年在生产试验中的皮棉总产量为1750.5 kg/hm2，比鲁棉研21号增产13.8%。仁和39号于2006～2008年在山东省参加棉花品种区域试验，皮棉产量1431.0～ 1680.3 kg/hm2，2006年 比 DP99B增产7.3%，2007年和2008年分别比对照鲁棉研21号增产7.8%和10.9%。鲁津棉36号于2008～2009年在天津市参加棉花品种区域试验，皮棉产量1218.0～1966.5 kg/hm2，比对照鲁棉研21号增产6.17%～12.48%。鲁垦棉37号于2008～2009年在陕西省参加棉花品种区域试验，其皮棉总产量为1350.0～1425.0 kg/hm2，比对照中棉所41号增产6.1%～7.9%。综合来看，6个棉花品种不仅在区域试验中丰产性好，而且年际间波动较小，稳产性也好。

在生产示范和规模化应用中，这些品种均表现适应性广，增产潜力大，稳产性好。鲁垦棉33号（2010～2011年）在黄河三角洲植棉区多点示范，平均皮棉产量为1891.5 kg/hm2，较对照鲁棉研28号增产10.3%[10]。2011年项目组实施山东省自主创新成果转化重大专项，在山东的三个植棉区设立鲁垦棉33号、仁和39号示范点6个，经专家测产验收，鲁垦棉33号皮棉产量平均为1855.5 kg/hm2，较对照鲁棉研28号增产6.77%；仁和39号皮棉产量平均为1891.5 kg/hm2，较对照鲁棉研28号增产8.83%。鲁垦棉37号于2008年在渭南市的大荔县安仁镇进行新品种展示，平均皮棉产量为1687.5 kg/hm2，比对照中棉所41增产23.1%，2009年在蒲城县坡头镇示范，平均皮棉产量为1831.5 kg/hm2，较对照中棉所41增产26.7%；鲁津棉36号于2009年在天津宁河县示范种植，平均皮棉产量为1830.0 kg/hm2，比对照鲁棉研21号增产16.0%。