转基因棉花品系3H-52的抗旱性分析

李 静，张换样，朱永红，吴慎杰，秦丽霞，竹梦婕，焦改丽

（山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000）

干旱是棉花生产的主要限制因素之一。通过提高棉花品种的抗旱能力来增加产量与经济效益、节约资源和改善环境，是我国棉花产业持续高效发展的重要措施[1]。EDT1基因是植物特有的一类homeodomain-start转录因子，在野生型拟南芥和烟草中过表达EDT1不但显著增强抗旱性与改良根系构型，还显著提高光合效率和水分利用率[2]。山西省农业科学院棉花研究所与中国科技大学合作将EDT1基因导入常规棉花品系WC中，获得转基因抗旱棉花品系3H-52。受体棉花品系WC是山西省农业科学院棉花研究所经过组织培养选育的一个易于分化再生的棉花品系。由于利用农杆菌介导对棉花进行外源基因遗传转化受基因型限制，绝大部分棉花品种都不能得到再生株，目前利用农杆菌介导法对棉花转基因常用WC等几个品系。转基因棉花品系3H-52已完成转基因安全评价的中间试验，即将进入环境释放试验阶段。

笔者研究3H-52棉花品系的抗旱性，能够进一步验证利用转外源基因EDT1途径创制优良抗旱棉花种质的可行性，对于创制优良抗旱棉花品系，加快棉花抗旱育种进展具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

转EDT1基因棉花品系3H-52和受体棉花品系WC均为山西省农业科学院棉花研究所生物技术室通过转基因技术和组织培养技术选育得到。

1.2 试验方法

试验于2019年在山西省农科院棉花研究所牛家凹试验农场旱棚进行，转基因棉花品系3H-52和受体棉花品系WC均于4月19日播种，小区种植，每个品系4行，小区长4.5 m、宽2.5 m，3次重复，随机排列。全生育期旱棚种植，播前每小区灌水1.0m3。

1.3 测定项目及方法

于花铃期测定叶片细胞相对含水量、游离脯氨酸（Pro）含量及丙二醛（MDA）含量；于吐絮期测量株高和皮棉产量。叶片细胞含水量测定采用恒重法，游离脯氨酸（Pro）含量测定采用酸性茚三酮法，丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法[3-4]。

2 结果与分析

2.1 转基因品系3H-52及其受体品系WC花铃期叶片细胞相对含水量比较

花铃期是棉花对水分较为敏感的时期，经过从苗期开始的干旱胁迫，棉花叶片细胞相对含水量有了一定的减少。叶片细胞相对含水量是反映植物耐旱性的重要指标，对抗旱育种的选择具有特殊的意义[5-7]。干旱胁迫下转基因棉花品系3H-52的叶片细胞相对含水量与其受体品系叶片细胞相对含水量表现出显著差异。3H-52的叶片细胞相对含水量极显著高于WC（表1），表明转入EDT1基因，棉花品系的抗旱性有一定提高。

表1 叶片细胞相对含水量方差分析

2.2 转基因品系3H-52及其受体品系WC花铃期游离脯氨酸含量比较

游离Pro作为渗透调节物质大量积累，对于棉花适应干旱造成的渗透胁迫有重要意义[8-9]。经过长期的干旱胁迫，转基因棉花品系3H-52与其受体品系WC表现出显著差异。由表2可知，3H-52的游离Pro平均含量为90.363 μmol/g，WC的游离Pro平均含量为84.180 μmol/g，游离脯氨酸对干旱胁迫较为敏感，无论转基因品系或其受体，在高度干旱胁迫下，游离脯氨酸含量大量增加，2个品系之间差异达极显著水平。

表2 游离脯氨酸含量方差分析

2.3 转基因品系3H-52及其受体品系WC花铃期丙二醛（MDA）含量比较

干旱胁迫会对植物的细胞膜造成伤害，MDA是膜脂过氧化作用产生的，可作为植物受害程度强弱的指标之一[10-12]。随着胁迫程度加深，植物体内丙二醛的含量会增加。在苗期至花铃期干旱胁迫下，转基因棉花品系3H-52及其受体品系WC体内的丙二醛含量均有增加（表3），3H-52的丙二醛含量为0.049 μmol/g，WC 的丙二醛含量为 0.052 μmol/g，2个品系丙二醛含量差异达极显著水平。可以看出，WC的受害程度较重。

表3 丙二醛含量方差分析

2.4 转基因品系3H-52及其受体品系WC株高比较

干旱胁迫对棉花的农艺性状有一定的影响，其中株高是比较敏感的一个性状[13-14]。干旱胁迫下棉花株高会有一定的降低（表4），转基因棉花品系3H-52高于其对照受体品系WC，差异达极显著水平，同样表明转入EDT1基因，棉花的抗旱性有一定提高。

表4 株高方差分析

2.5 转基因品系3H-52及其受体品系WC皮棉产量比较

皮棉产量是棉花抗旱育种的最终目标，也是棉花品种抗旱指数评价的重要指标[15-16]。由表5可知，全生育期干旱胁迫下，转基因棉花品系3H-52的皮棉产量与受体品系并无显著差异，表明转基因品系的抗旱性有一定提高，但其距应用于生产还有一定差距，还需进一步选育提高。

表5 小区皮棉产量方差分析

3 结论与讨论

EDT1基因是从拟南芥抗旱突变体中分离克隆的，其在拟南芥中过量表达可促使野生型拟南芥根系伸长、气孔密度减少，显著提高了野生型拟南芥抗旱耐盐性。在转基因烟草、水稻、大豆、杨树、玉米和小麦中EDT1的抗旱功能已得到可靠验证。将EDT1基因导入棉花以后，对转基因棉花品系的抗旱性鉴定非常重要。棉花的抗旱性是一个复杂的数量性状，选择合理的指标性状是抗旱性鉴定的关键，对此国内外学者在指标选择上从各个方面做了大量研究，主要有生理生化指标、农艺性状指标等，研究表明，生理生化指标更能准确反映抗旱性；农艺性状指标更能反映育种价值和生产潜力；选择部分生理生化指标和农艺性状指标相结合综合评价，可以兼顾抗旱性与产量潜力，是比较合理的鉴定方法等[17-18]。在长期棉花抗旱育种实践的基础上，本试验选择几个对干旱胁迫较为敏感的生理指标和与棉花抗旱育种目标关系紧密的农艺性状指标进行检测鉴定。结果表明，转基因棉花品系3H-52与其受体棉花品系比较，抗旱性有一定提高，但其皮棉产量还不高，农艺性状还需进一步回交改良。植物抗旱性虽然是一个复杂的数量性状，但是转入EDT1基因对于提高植物抗旱性的效果还是比较明显的，表明转基因抗旱育种是一个非常有效的抗旱育种途径。