三個(gè)陸地棉芽黃突變體的遺傳及育種利用研究

　　摘要：棉花芽黃性狀是一種優(yōu)良的指示性狀，在棉花雜種優(yōu)勢(shì)研究中具有重要的利用價(jià)值。本研究以三個(gè)芽黃突變材料71-7、62-17和115-23為試驗(yàn)材料，配制了33個(gè)雜交組合，研究芽黃性狀分離規(guī)律，芽黃性狀的回交轉(zhuǎn)育和優(yōu)勢(shì)組合選配。結(jié)果表明：71-7和115-23兩個(gè)突變體的芽黃基因?yàn)閱位�因控制的隱性性狀，62-17材料為單基因控制的不完全顯性性狀;通過(guò)回交轉(zhuǎn)育方法，創(chuàng)制了9份帶有芽黃標(biāo)記性狀的陸地棉三系種質(zhì)資源;通過(guò)配制的12個(gè)優(yōu)勢(shì)組合綜合性狀分析，篩選出組合Y34和Y26具有較高的籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量，并可作為早熟雜交棉新品系選送新疆自治區(qū)早熟陸地組進(jìn)行品種參試。本研究結(jié)果可為新疆棉花種質(zhì)創(chuàng)制、新基因挖掘及新品種培育提供新的親本及基因來(lái)源。

　　關(guān)鍵詞：陸地棉;芽黃突變體;遺傳分析;育種利用

　　棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，棉花產(chǎn)業(yè)對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用[1]。已有研究表明，棉花具有明顯的雜種優(yōu)勢(shì)，雜種F1可比常規(guī)品種增產(chǎn)15%以上，并可同時(shí)改善品質(zhì)和增強(qiáng)抗逆性[2]。因此，利用雜種優(yōu)勢(shì)以提高產(chǎn)量及品質(zhì)日益受到研究人員重視。當(dāng)前，隨著育種技術(shù)和方法日益進(jìn)步，常規(guī)種質(zhì)資源已難以滿(mǎn)足育種目標(biāo)多樣化和多目標(biāo)性狀同步改良的需要，急需通過(guò)人工創(chuàng)新發(fā)掘出符合多目標(biāo)育種和研究需要的特異種質(zhì)，以滿(mǎn)足當(dāng)前和今后科研和生產(chǎn)發(fā)展的要求。而攜帶芽黃性狀的優(yōu)良資源材料可作為優(yōu)異資源應(yīng)用于棉花種質(zhì)創(chuàng)新及雜種優(yōu)勢(shì)的研究[3]。首先，芽黃性狀可直接用于棉花雜種優(yōu)勢(shì)研究。已有研究表明，陸地棉芽黃品系與常規(guī)品種或品系雜交，其F1具有明顯的雜種優(yōu)勢(shì)，且產(chǎn)量性狀優(yōu)勢(shì)最大，產(chǎn)量構(gòu)成因素和早熟性次之，纖維品質(zhì)性狀的優(yōu)勢(shì)也明顯存在[4]。

　　因此，可利用芽黃突變材料進(jìn)行強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的篩選與配制，并可作為指示性狀在苗期即可進(jìn)行偽雜種的剔除[5];另外，芽黃還可作為指示性狀用于棉花不育系及恢復(fù)系等三系雜交棉的選育應(yīng)用[6]。針對(duì)上述思路，本研究以本課題組發(fā)現(xiàn)和選育的新陸早32號(hào)芽黃突變體(71-7)、新陸早33號(hào)芽黃突變體(62-17)、新陸早42號(hào)芽黃突變體(115-23)為研究對(duì)象，采用經(jīng)典遺傳分析方法研究各突變材料的芽黃基因遺傳規(guī)律，并采用回交轉(zhuǎn)育方法將各突變材料的芽黃基因轉(zhuǎn)育到雄性不育系、恢復(fù)系等材料中，并進(jìn)行各突變材料的雜種優(yōu)勢(shì)利用研究，通過(guò)產(chǎn)量、品質(zhì)等方面的比較分析，篩選高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)雜交組合。以期為棉花特異種質(zhì)資源的創(chuàng)新及雜種優(yōu)勢(shì)利用提供基因來(lái)源，并為新疆雜交棉選育提供新的親本來(lái)源。

　　1材料和方法

　　1.1試驗(yàn)材料

　　本研究以課題組發(fā)現(xiàn)和選育的71-7(新陸早32號(hào)芽黃突變體)、62-17(新陸早33號(hào)芽黃突變體)、115-23(新陸早42號(hào)芽黃突變體)三個(gè)芽黃突變材料為研究對(duì)象，三份材料均屬于自然突變，且已純合并穩(wěn)定遺傳，各材料芽黃性狀表現(xiàn)。以本課題組骨干親本，優(yōu)異資源，品系等材料與三個(gè)突變材料進(jìn)行雜交，回交等，用以后續(xù)的遺傳分析、種質(zhì)創(chuàng)制及組合選配等研究。

　　1.2組合配制及性狀調(diào)查

　　根據(jù)不同研究目的，課題組從2013年開(kāi)始，分別以三個(gè)芽黃突變材料為親本之一，配制33個(gè)組合，用以研究芽黃性狀分離規(guī)律(Y1-Y12：2016年配制組合，獲得F1代種子，2017年種植F1，并自交獲得F2代種子，2018年種植F2，進(jìn)行田間調(diào)查)，芽黃性狀的回交轉(zhuǎn)育(Y13、Y15-Y21、Y23：2013年開(kāi)始配制組合，以后每年進(jìn)行回交加代，具體回交轉(zhuǎn)育策略見(jiàn)2.2)以及優(yōu)勢(shì)組合選配(Y24-Y35：2017年配制組合，獲得F1代種子，2018年種植F1，進(jìn)行比較試驗(yàn))等。

　　其中芽黃性狀分離通過(guò)田間表型目測(cè)記錄，優(yōu)勢(shì)組合比較試驗(yàn)通過(guò)在棉花不同生育時(shí)期田間調(diào)查獲取株高、果枝數(shù)、鈴數(shù)等，室內(nèi)考種獲取衣分、單鈴重、衣指、子指等，并通過(guò)纖維檢測(cè)儀獲得纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、馬克隆值、整齊度及伸長(zhǎng)率等纖維品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)。各性狀調(diào)查方法及標(biāo)準(zhǔn)參考棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7]，纖維品質(zhì)檢測(cè)在農(nóng)業(yè)部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室纖維檢測(cè)室印度普瑞美HFT9000纖維檢測(cè)儀上進(jìn)行。

　　1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

　　試驗(yàn)材料及組合配制在新疆石河子新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行，優(yōu)勢(shì)組合比較試驗(yàn)于2018年種植各組合的F1代，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，行長(zhǎng)5.9米，平均行距42.5厘米，4行區(qū)，株距10厘米。對(duì)照為新疆自治區(qū)早熟組區(qū)域試驗(yàn)對(duì)照品種新陸早61號(hào)，各材料人工點(diǎn)播，膜下滴灌栽培，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法進(jìn)行田間管理。數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0軟件進(jìn)行卡方檢測(cè)計(jì)算，對(duì)組合皮棉產(chǎn)量的LSD多重比較分析采用DPS軟件分析。其它常規(guī)數(shù)據(jù)分析在EXCEL中進(jìn)行分析。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1三個(gè)芽黃突變體的遺傳分析

　　以三個(gè)芽黃突變體為母本，四個(gè)優(yōu)良純合品系為父本，配制了12個(gè)組合(Y1-Y12)用以進(jìn)行芽黃性狀的遺傳分析，獲得各組合的F1代及F2分離群體。分別在苗期及現(xiàn)蕾期觀察記載各分離群體的單株葉片芽黃性狀表現(xiàn)。結(jié)果表明，兩個(gè)時(shí)期棉花單株芽黃性狀表現(xiàn)一致，71-7芽黃突變體的四個(gè)組合的F1代全部表現(xiàn)為正常綠色，F(xiàn)2群體中表現(xiàn)出綠色和芽黃兩種分離性狀，且分離比例符合3:1比例;62-17芽黃突變體的四個(gè)組合的F1代全部表現(xiàn)為中間型，即整株葉片顏色表現(xiàn)為黃色略顯綠色，F(xiàn)2群體中表現(xiàn)出綠色、芽黃和中間型三種分離性狀，由于田間表現(xiàn)中間型與芽黃區(qū)分度不明顯，而與正常綠色有明顯的區(qū)分，故在記載時(shí)將中間型與芽黃全部為記載為芽黃，F(xiàn)2分離比例符合3:1比例;115-23芽黃突變體的四個(gè)組合的F1代全部表現(xiàn)為正常綠色，F(xiàn)2群體中表現(xiàn)出綠色和芽黃兩種分離性狀，且分離比例符合3:1比例。上述結(jié)果初步確定71-7和115-23兩個(gè)突變體的芽黃基因?yàn)閱位�因控制的隱性性狀，62-17材料為單基因控制的不完全顯性性狀。

　　2.2三個(gè)芽黃突變體的回交轉(zhuǎn)育研究

　　為了將芽黃性狀轉(zhuǎn)育到不同的棉花三系材料中，從2013年開(kāi)始，以四個(gè)陸地棉三系材料L0702A(細(xì)胞質(zhì)雄性不育系)、早33A(細(xì)胞核雄性不育系)、54R(恢復(fù)系)、GR26(恢復(fù)系)為母本，以71-7、62-17、115-23三個(gè)芽黃突變材料為父本，配制9個(gè)組合(其中Y23組合的母本新陸早33號(hào)為早33A的保持系)，采用不同的回交策略，進(jìn)行回交轉(zhuǎn)育創(chuàng)制帶有芽黃標(biāo)記的三系種質(zhì)資源。

　　其中轉(zhuǎn)育L0702A細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因采取連續(xù)回交策略，在回交后代中選取芽黃且不育的單株做母本連續(xù)回交直至BC5代;由于早33A為細(xì)胞核雄性不育隱性基因，因此在轉(zhuǎn)育早33A雄性不育基因采取從F2開(kāi)始選取不育株回交然后再自交再回交的策略，直至BC4F2代;轉(zhuǎn)育54R、GR26的恢復(fù)基因采取分子標(biāo)記輔助選擇策略，選取在回交后代中含有Rf1恢復(fù)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記的單株做母本連續(xù)回交直至BC5代。目前已獲得9份帶有芽黃標(biāo)記性狀的三系種質(zhì)資源。

　　2.3三個(gè)芽黃突變體的優(yōu)勢(shì)組合篩選研究

　　2017年課題組以71-7、62-17、115-23三個(gè)芽黃突變材料為母本，以課題組收集篩選的四個(gè)早熟優(yōu)良品系LP518、WN1020、JSH1527、天云2118為父本，配制12個(gè)雜交組合(Y24-Y35)，2018年種植12個(gè)組合的F1代，以新陸早61號(hào)品種為對(duì)照進(jìn)行優(yōu)勢(shì)組合篩選研究。

　　Y24，Y33，Y35組合的單株結(jié)鈴數(shù)較高，Y28，Y29，Y27組合的鈴重較高，而Y32，Y33，Y25組合表現(xiàn)出較高的衣分;從纖維品質(zhì)指標(biāo)看，該批組合的纖維品質(zhì)性狀綜合表現(xiàn)較好，纖維長(zhǎng)度和纖維比強(qiáng)度都達(dá)到“雙30以上”，其中組合Y31，Y27，Y35為最高;籽棉產(chǎn)量與皮棉產(chǎn)量是棉花經(jīng)濟(jì)性狀的重要指標(biāo)性狀，12個(gè)組合中有7個(gè)組合的籽棉產(chǎn)量與皮棉產(chǎn)量都超過(guò)對(duì)照，其中Y34，Y26，Y27組合表現(xiàn)出較高的籽棉產(chǎn)量，分別為對(duì)照的110.5%，107.2%，107.2%，而組合Y34，Y26，Y32組合則表現(xiàn)出較高的皮棉產(chǎn)量，分別為對(duì)照的110.1%，108.5%，106.8%，綜合性狀分析，組合Y34和Y26具有較高的籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量，分別排名為1和2;對(duì)皮棉產(chǎn)量經(jīng)多重比較進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，組合Y34皮棉產(chǎn)量最高，Y28產(chǎn)量最低;組合Y34顯著高于Y25、Y35、Y29、Y31和Y28，極顯著高于Y28;組合Y26顯著高于Y29、Y31和Y28;組合Y32顯著高于Y31和Y28;其它組合間無(wú)顯著差異。組合Y34和Y26皮棉產(chǎn)量最高，屬早熟高產(chǎn)雜交組合。

　　3討論

　　棉花芽黃性狀是一種優(yōu)良的指示性狀，在棉花雜種優(yōu)勢(shì)研究中具有重要的利用價(jià)值，因此發(fā)掘新的芽黃突變材料并對(duì)其進(jìn)行分析與鑒定顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)鑒定了22個(gè)芽黃突變體，涉及到26個(gè)芽黃突變基因[8-19]。宋美珍等[20]利用航天誘變技術(shù)，對(duì)獲得的芽黃突變體中棉所58Vsp進(jìn)行遺傳研究，證明該芽黃性狀受一對(duì)隱性核基因控制，且與棉花中期庫(kù)已有的17份芽黃材料不同。本研究對(duì)發(fā)現(xiàn)的三個(gè)芽黃突變材料進(jìn)行了遺傳研究，初步確定71-7和115-23兩個(gè)突變體的芽黃基因?yàn)閱位�因控制的隱性性狀，62-17為單基因控制的不完全顯性性狀。研究結(jié)果為進(jìn)一步對(duì)突變基因的等位性測(cè)驗(yàn)和連鎖測(cè)驗(yàn)提供了研究基礎(chǔ)。由于芽黃性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，尤其在苗期表現(xiàn)明顯，肉眼即可辨別且遺傳方式簡(jiǎn)單，大多受一對(duì)基因控制。

　　因此，可通過(guò)回交轉(zhuǎn)育方法將芽黃標(biāo)記性狀導(dǎo)入當(dāng)?shù)貎?yōu)良品種培育芽黃近等基因系，應(yīng)用于棉花雜交育種中，并可提高棉花雜交制種效率。張?zhí)煺娴萚17]對(duì)陸地棉芽黃核雄性不育系81A進(jìn)行了遺傳研究，結(jié)果表明81A的芽黃性狀和雄性不育性狀都是由一對(duì)隱性基因控制且可能是緊密連鎖。因此，可利用該材料在進(jìn)行棉花雜交制種時(shí)，在苗期即可通過(guò)芽黃性狀進(jìn)行可育株的拔除，從而有效提高雜交制種的產(chǎn)量和效益。宇文璞等[21]在引進(jìn)81A的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步育成了新型的芽黃A雄性不育系[22]，且雜種優(yōu)勢(shì)顯著。

　　本研究通過(guò)回交轉(zhuǎn)育方法創(chuàng)制了9份帶有芽黃標(biāo)記性狀的陸地棉三系種質(zhì)資源，其中CMS115-23A、CMS71-7A、GMS115-23A三份材料其芽黃性狀受隱性基因控制，故可作為標(biāo)記不育系應(yīng)用于三系雜交育種中;62-17R1、62-17R2兩份材料其芽黃性狀受不完全顯性基因控制，故可作為標(biāo)記恢復(fù)系應(yīng)用于三系雜交育種中;115-23R1、115-23R2、71-7R1三份材料可作為新的優(yōu)異恢復(fù)系種質(zhì)資源應(yīng)用于雜交育種中。而對(duì)不育基因、恢復(fù)基因及與芽黃基因的具體染色體位置及連鎖情況，有待后續(xù)構(gòu)建大群體進(jìn)行基因定位研究。

　　關(guān)于對(duì)芽黃性狀直接用于棉花雜種優(yōu)勢(shì)的研究，閔留芳等[23]采用NCII設(shè)計(jì)研究陸地棉芽黃性狀的雜種優(yōu)勢(shì)利用時(shí)認(rèn)為，芽黃品系與常規(guī)品種之間的雜種表現(xiàn)出顯著的雜種優(yōu)勢(shì)，雜種一代的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)與常規(guī)品種基本相似，認(rèn)為對(duì)現(xiàn)有的芽黃品系進(jìn)行改良，可以提高其雜種后代的優(yōu)勢(shì)潛力。肖松華等[5]以5個(gè)芽黃品系和6個(gè)常規(guī)品種進(jìn)行不完全雙列雜交，測(cè)定30個(gè)組合在主要農(nóng)藝性狀上的雜種優(yōu)勢(shì)和配合力。結(jié)果表明，陸地棉芽黃品系和常規(guī)品種雜交，F(xiàn)1具有明顯雜種優(yōu)勢(shì)，雜種優(yōu)勢(shì)利用潛力較大。本研究利用三個(gè)芽黃材料與常規(guī)優(yōu)良品系做親本材料，配制優(yōu)勢(shì)組合，篩選出兩個(gè)綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良且產(chǎn)量較高的雜交組合Y34和Y26，可作為早熟雜交棉組合選送自治區(qū)早熟陸地棉組進(jìn)行品種參試。

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