转iaaM基因陆地棉杂种F1代主要性状比较分析

孔清泉 杨兆光 吴振江 刘亚平 谢业涛 肖远龙

摘要：为探讨转iaaM基因材料的利用价值，2017年以转iaaM基因种质IF1-1为父本配制杂交组合6个，并分析测定各杂交组合的农艺性状、产量性状、纤维品质的竞争优势及相关性。结果显示：6个组合的单株成铃数、纤维上半部平均长度、整齐度、断裂比强度与对照赣杂棉1号相比，均显示出正向竞争优势，iaaM基因可显著提高纤维长度、纤维整齐度、断裂比强度;5个组合的衣分具有正向竞争优势，4个组合的马克隆值具有负向有利竞争优势;6个组合的籽指与衣分，籽指与纤维长度均成负相关，说明提高衣分和纤维长度的同时，降低了籽指。

关键词：陆地棉;转iaaM基因;杂交棉;竞争优势;比较分析

中图分类号：S562.035    文献标识码：A    文章编号：2095-3143（2019）03-0015-06

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.03.004

0  引言

棉花是我国重要的经济作物，棉花产量关系着我国棉农的生计和纺织工业的健康发展。近年来，随着人口的增加和保证国家粮食安全及粮棉比价的棉价偏低，造成植棉面积逐渐下降。棉花产业的可持续发展必须依靠科技协作与技术创新[1]。提高棉花产量和改善纤维品质是棉花品种改良的两个重要目标性状，也是一直困扰棉花育种工作者的棘手问题。自20世纪50年代以来，我国棉花以产量为目标的育种取得了举世瞩目的进展[2-4]，但是棉纤维品质三要素（长度、断裂比强度、马克隆值）依然不能很好匹配[5]。试图从转基因的角度改良棉花纤维品质，已有较多尝试[6-8]。西南大学利用胚珠表皮特异启动子FBP7调控生长素合成基因iaaM（色氨酸单加氧酶）在棉花品种冀棉14中表达，在纤维细胞起始时期特异的积累IAA，促進纤维起始细胞和成熟纤维数量增加，提高了棉花的纤维产量和细度，降低了马克隆值，实现了棉花纤维产量和品质的同步改良，育成了转基因棉新种质IF1-1，被列为棉花第二代转基因新种质材料[9-11]。近年来，国内许多学者围绕材料IF1-1在改良棉花产量和纤维品质方面进行了有益探索。王国宁，等[12]通过以转iaaM基因株系IF1-1作父本配制杂交组合，通过系谱法选育获得6个衣分高、马克隆值优良的新品系，并证明iaaM基因能够显著改良衣分和马克隆值，并且对籽指、铃重、单株结铃数等产量性状和纤维长度、纤维强度等纤维品质不会造成负面影响。陈旭升，等[13]研究证明：利用iaaM种质作为杂交亲本，只要杂交配组适当，培育具有产量优势的Ⅰ型高品质陆地杂交棉在实践上是完全可行的。丁晓燕，等[14]研究证明FBP7-iaaM基因能在杂交和回交过程中稳定遗传，可用于棉花产量和马克隆值的定向改良。刘存敬，等[15]研究认为以转iaaM基因为材料配置的杂交组合后代具备选择出高衣分材料的潜力。

杂种优势是生物界的一种普遍现象，一般指杂种在生长势、生活力、抗逆性、产量、品质等方面优于亲本的现象，我国是利用杂种优势最早的国家[16]。利用杂种优势提高棉花产量、改善纤维品质是一种有效途径[17-19]。本研究以转FBP7-iaaM高衣分材料IF1-1为父本配制杂交组合，并对杂交后代进行性状分析，以进一步明确iaaM基因改善棉花重要经济性状的作用，旨在为该基因资源在高品质棉育种中的应用提供理论依据。

1  材料和方法

1.1  试验材料与设计

试验于2017年在江西省棉花研究所科研基地[20]进行，试验材料共计7个（含对照—本地推广品种赣棉杂1号），代号为1～7（见表1），三次重复，随机区组设计。试验田肥力中等，为多年棉花连作田，且冬季空闲， 2017年4月18日播种，双膜小拱棚营养钵育苗，期间及时揭膜练苗。5月24日移栽，一畦双行，行距0.87 m，株距0.48 m，种植密度2.4万株/hm2。小区面积20 m2。栽后管理与常规大田管理一致，并按时进行主要性状调查工作。

1.2  调查内容

吐絮期在每小区选取中间有代表性的棉花10株，主要调查株高、果枝数、单株成铃数。每小区随机采收棉株中部内围正常开裂棉桃50个，室内进行考种测定单铃重、铃壳重、衣分等;考种后各组合取皮棉20 g，送国家棉花纤维品质监督检验测试中心（安阳）检测，对棉纤维上半部平均长度、伸长率、断裂比强度、整齐度指数、马克隆值五项纤维指标进行测定。各组合F1的竞争优势按公式（1）计算。

F1竞争优势=（F1-CK）/ CK×100%…………（1）

1.3  数据统计

采用Microsoft Excel 2007、SAS8.0软件进行数据统计与分析。

2  结果与分析

2.1  主要性状的竞争优势分析

在农艺性状及产量性状方面，由表2和表3分析得知，参试组合的单铃重整体不高，在5.2～6.0 g，均表现为负向竞争优势，变异系数5.3%，平均单铃重5.7 g，明显低于对照的6.2 g;衣分整体较高，在42.1%～44.2%，平均值为42.8%，两极值相差2.1个百分点，变异系数1.6%，除组合4的衣分低于对照外，其余组合均高于对照，大部分表现为正向竞争优势，竞争优势最高达4.7%;籽指为10.6～12.1 g，平均是11.2 g，大部分组合低于对照的11.8 g，变异系数为5.3%，除6号外，其余均表现负向竞争优势;衣指为7.9～8.9 g，平均是8.4 g，其中1号和6号表现为正向竞争优势，竞争优势分别达1.2%和3.5%;平均单铃壳重为1.9 g，均明显低于对照的2.3 g，各组合的单铃壳重整体较轻，表现为负向竞争优势;平均单株成铃数为32.3个，各组合明显多于对照的25.6个，均表现为正向竞争优势;平均果枝数为19.7个/株，其中4号和5号组合表现为正向竞争优势，竞争优势分别达7.6%和11.1%;籽棉产量为3255.0～4146.0 kg/hm2，两极值相差达891 kg/hm2，均值为3504.8 kg/hm2，其中1～4号组合的籽棉产量超过对照，表现为正向竞争优势，分别较对照增产14.5%、8.8%、8.6%、0.3%，且1号组合较对照增产达极显著水平，2号和3号较对照增产达显著水平;由于衣分的提高，大部分组合的皮棉增减产率高于相应的籽棉增减产率，但皮棉变异系数10.7%大于籽棉变异系数9.4%。

在品质性状上，由表4和表5分析可知，各组合上半部平均纤维长度为29.2～30.8 mm，属于中绒棉等级（28.0～30.9 mm）[21]，两极值相差为1.6 mm，均值为29.8 mm，均值较对照的28.8 mm长1.0 mm，整体表现出明显的正向竞争优势，平均竞争优势为3.5%，变异系数为2%。

这批组合的整齐度指数为84.0%～87.7%，变异系数为1.5%，均值为86.3%，整体表现为正向竞争优势。从整齐度指数看，3号和4号组合属较高档次（83.0%～85.9%），1号、2号、5号、6号组合属高档等级（86%及以上）[21]。

断裂比强度为29.5～36.3 cN/tex，两极相差达6.8 cN/tex，与对照相比均呈现正向竞争优势，且都达到强档次（29.0～31.9 cN/tex）及以上等级[21]。

马克隆值变幅为4.8～6.1，组合1号、2号和4号具有负向有利竞争优势，按马克隆值统计，组合1符合B2等级（4.3～4.9）[20]。组合5号和6号为正向不利竞争优势明显，可能是因马克隆值与纤维长度呈负相关，导致iaaM基因在改善纤维长度和提高纤维产量的同时，使马克隆值往不利的方向发展。

纤维伸长率为5.2%～6.2%，平均伸长率5.6%，除1号表现出正向竞争优势，其余5个组合的伸长率较对照低表现为负向竞争优势。

整体分析来看，6个组合的纤维品质均较对照优质，尤其是纤维长度、整齐度、断裂比强度都表现明显的正向竞争优势。

2.2  主要性状的相关性分析

表5结果表明，上半部纖维长度与单株铃数、单铃重、衣分、断裂比强度成正相关，与整齐度指数、伸长率、马克隆值、籽指、衣指、单铃壳重、果枝数成负相关，说明纤维越长衣分越大、马克隆值越低、籽指越小;断裂比强度和马克隆值、衣分成正相关，与伸长率、籽指、衣指、单铃壳重、单株铃数成负相关;马克隆值与整齐度指数、断裂比强度、籽指、果枝数成正相关，与伸长率、衣分、衣指、单株铃数成负相关，与单铃重成极显著负相关;衣分与籽指、单铃壳重、果枝数成负相关，与整齐度指数、断裂比强度、伸长率、单铃重成正相关;籽指与整齐度指数、断裂比强度、单铃重、衣分、单株铃数成负相关，与伸长率、衣指、单铃壳重成正相关;单铃壳重与整齐度、伸长率、衣分成负相关。

3  结论

本试验通过对6个杂交组合的主要性状综合比较分析，组合1号、2号、3号的产量和品质整体上都优于对照，结合本课题2016年试验结果（杨兆光，等[22]通过对以转iaaM基因种质IF1-1为父本的杂交组合筛选），获得了高产优质新材料。说明利用iaaM基因种质作为杂交亲本，对提高衣分和改良纤维品质（尤其是增长纤维长度、提高纤维整齐度、增强纤维断裂比强度）是可行的，适当杂交配组，有培育具有多种优良特性的陆地杂交棉的前景。

4  讨论

4.1  iaaM基因与衣分的关系

IF1-1材料是用胚珠表皮特异启动子FBP7调控生长素合成基因iaaM，促进纤维起始细胞和成熟纤维数量增加，以提高棉花纤维产量。转基因获得的外源基因一般呈显性遗传[23-24]，刘存敬，等[15]研究证明iaaM基因是一对显性遗传基因。前人研究结果显示iaaM基因能够显著提高棉花衣分[10，12]，本试验除1号组合的衣分得到显著提高外，其余组合的衣分变化不是特别明显，即使衣分有不同程度的增大。然而4号组合的衣分比对照低，可能是由于不同遗传背景的研究材料所致，也可能是iaaM基因并未通过杂交手段成功转入杂交亲本中。下一步重复试验计划应该利用PCR技术检测后代的iaaM基因，不仅考察组合的竞争优势，还要进一步探索该类组合的超中优势及超亲优势，以期不断探讨转iaaM基因在改良纤维品质的价值的同时，培育出高产优质新品种。

4.2  iaaM 基因与籽指的关系

转基因棉花有一个值得关注的现象，当外源基因导入陆地棉受体后，往往会带来受体性状发生一些意想不到的相关变化。季灵艳[25]分析指出，转iaaM 基因导致陆地棉受体的种仁棉酚含量有所降低。本研究显示，籽指与纤维长度、整齐度、断裂比强、衣分等负相关，相关系数分别为-0.803、-0.429、-0.573、 -0.430，6个组合的籽指变异系数为5.3%，除组合6号外，其他组合的籽指均表现负向竞争优势。陈旭升，等[13]研究显示，转iaaM 基因给陆地棉受体带来一些负向相关变化，种子空瘪率上升、种子变小，并推测可能因iaaM 基因诱导棉籽的部分能量被用于种皮短纤维的凸起伸长，以生产长纤维，从而导致种子变小。种子籽指降低，种子变小，可能导致空瘪率上升、种子萌发率降低，影响棉籽质量，因此利用转iaaM基因种质材料时尽量选择种子较大的材料与之配组。同时进一步探讨籽指降低的原因，以确保iaaM基因在提高衣分和改良纤维品质过程中不会出现后代种子萌发率低等不良现象。

参考文献

[1] 喻树迅， 张雷，冯文娟. 棉花生产规模化，机械化，信息化，智能化和社会服务化发展战略研究[J]. 中国工程科学，2016， 18（1）：137-148.

[2] 俞敬忠. 棉花高产品种的设计与选育[J]. 种子，1983（1）：41-44.

[3] 朱绍琳. 棉花高产育种的探讨[J]. 中国棉花，1994， 21（4）：11-13.

[4] 喻树迅，范术丽，王寒涛，等. 中国棉花高产育种研究进展[J]. 中国农业科学，2016，49（18）：3465-3476.

[5] 唐淑荣，彭振，褚平，等. 2012年我国生产领域棉花纤维品质抽检结果分析[J]. 中国棉花， 2013，40（7）：9-13.

[6] 张震林，周宝良，刘正銮，等. 外源纤维改良基因对棉花纤维品质的影响研究[J]. 华中农业大学学报，2004，23（2）：192-196.

[7] 李飞飞，吴慎杰，吕芬妮，等. 转蚕丝心蛋白基因改良了棉花纤维品质[J]. 科学通报，2009， 54（4）：457-462.

[8] 刘宏伟，李南南，苗玉焕，等. 利用FBP：iaaM改良华杂棉H318产量与纤维品质研究[J]. 石河子大学学报（自然科学版），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，孙君灵，周忠丽， 等.棉花胚珠和叶片激素含量与纤维性状的相关分析[J].西北植物学报，2004，24（12）：2296-2302.

[12] 王国宁， 张桂寅，吴立强， 等. 转iaaM 基因高衣分棉花新种质材料创制[J]. 中国棉花，2014，41（7）： 27-30.

[13] 陈旭升，狄佳春，赵亮. 转iaaM基因陆地棉种质系的经济性状及其杂种F1表达特征[J]. 中国农学通报， 2018，34（25）：21-25.

[14] 丁晓艳，赵娟，钱山山，等. 利用FBP7： iaaM转基因材料同步改良短季棉品种晋棉11纤维产量和品质[J]. 作物学报，2018，44（8）：1152-1158.

[15] 刘存敬，江振兴，张建宏，等. 转iaaM 高衣分棉花种质IF1-1杂种优势分析及育种应用. 河北农业科学， 2016，20（3）：70–74.

[16] 张天真. 作物育种学总论[M]. 北京：中国农业出版社，2005.

[17] 李永旗，崔爱花，张丽娟，等. 10个杂交组合高产与优质竞争优势分析[J]. 棉花科学， 2015，37（4）：17-21.

[18] 张凯，鲁宁宁，陈伟，等. 棉花杂交组合F1、F2高产优质性状分析[J]. 中国棉花， 2018， 45（10）： 22-27.

[19] 刘亚平，杨兆光，肖远龙，等. 抗草甘膦杂交棉超亲和竞争优势的分析[J]. 棉花科學，2015，37（6）：23-30.

[20] 孔清泉，杨兆光，吴振江，等. 陆地棉R系列品系与抗草甘膦品系杂交F1代主要性状优势分析[J]. 棉花科学， 2019， 41（4）：19-23.

[21] 杨伟华，许红霞，王延琴，等. NY/T 1426-2007.棉花纤维品质评价方法[S]. 中华人民共和国农业部，2007-09-14（发布日），2007-12-01（实施日）.

[22] 杨兆光，肖远龙，吴振江，等. 转iaaM基因种质IF1-1作父本的杂交组合竞争优势分析[J]. 棉花科学，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] 季灵艳. 外源iaaM基因对于转基因棉花体内的激素、棉酚和根系分泌物的影响[D]. 杭州：浙江大学，2015.