株型育种在机采棉应用中的研究进展

齐海坤，严根土，王 宁，苏桂兰，杨 杰，周 红，许庆华，黄 群

（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）



株型育种在机采棉应用中的研究进展

齐海坤，严根土，王 宁，苏桂兰，杨 杰，周 红，许庆华，黄 群

（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）

摘 要：近年来由于机采棉的迅速发展，很多育种家和栽培家围绕棉花机器采摘的适宜农艺性状做了大量的研究，而株型育种是棉花机械化生产的重要研究内容之一，文章通过综述前人在株型育种中由常规育种到分子育种的发展历程及在机采棉应用中的研究现状，为进一步研究机采棉在株型育种方面提供一定的理论基础和借鉴。

关键词：株型育种 机采棉 研究进展

棉花在我国种植面积约533万hm2，占世界种植面积的15%［1］，在国民经济中占有很重要的地位，是人民生活中不可缺少的重要物资。然而近年来，由于棉花管理繁琐，需要大量的人力物力，且农资成本高，致使棉花生产成本增加、经济效益差，致使农民出现能种其它作物就绝不种棉花的想法，棉花种植面积逐渐下降。因此，棉花生产必须转向简化生产，减少在种植成本上的投资。机械化生产棉花可以省时省工，成了人们的迫切需求，棉花生产全程机械化是实现快乐植棉的根本出路［2］。在众多的适宜机采棉花性状研究中，株型育种是棉花机械化生产的重要研究内容之一，该文通过综述前人对株型育种在机采棉应用中的研究现状，为进一步研究机采棉在株型育种方面提供一定的理论基础和借鉴。

1 机采棉株型要求

机采棉技术可以实现高产、高效、优质目的，棉花品种、田间管理、栽培模式、籽棉储运、化学脱叶（催熟）等影响其技术成果［3］。棉花株型包括棉株结铃形式和生长结构。主茎高度，营养枝和果枝个数及长度，果枝间的主轴节间长度，果枝始节高度等是株型的主要构成成分［4］。陆地棉影响机械采收和栽培措施的株型因子包括主茎叶片数、株高、果枝数、果枝类型、叶枝数等。前人对棉花株型研究的较多，如果枝始节高度≥20 cm，两个果枝的间距10～11 cm，棉株高度80～100 cm［6］。棉株太矮，果枝间距过小，棉铃间距太近，影响机采效果；棉株长的太高，养分供应营养生长大于生殖生长，棉铃贪青晚熟。因此机采棉对棉花株型的要求较高，需要进行全面系统的研究。

2 常规株型育种

常规株型育种是育种的一个部分，其传统育种方法主要包括选择育种、有性杂交育种（又称组合育种或重组育种）、杂种优势育种、物理及化学诱变育种、离体组织培养育种（包括花药及花粉单倍体育种、原生质体融合或体细胞杂交等）［7］。

2.1 选择育种

选择育种（selection breeding）是现有品种在种植过程中产生与本身性状表现出明显区别的现象，筛选有利突变体并通过鉴定改良成新的品种［8］。转Bt基因抗虫棉万丰201、冀丰106、邯棉802、冀122周棉6 号等就是经过多年南繁北育连续选择并结合其他主要性状（株高、株型、茎秆粗壮、叶片大小、铃型）定向选择培育出的。在常规育种中可以根据机采棉的要求选择合适的株型，使选育目标明确，但在大田中寻找自然产生的变异频率很低，因此选择机会较少。

2.2 有性杂交育种

有性杂交育种（sexual cross breeding）或重组育种（combination breeding）是首先确定选育目标，将两个亲本各自持有的优良性状通过人工杂交的方法组合到杂种中，对其后代进行目标性状选择，获得具有目标性状且遗传稳定的新品种［9］。杂交方法分单交、双杂交、回交，复式杂交，多父本杂交等［10］。新陆早13号，株型塔型，Ⅱ式果枝较紧凑，茎秆粗壮茸毛多，就是采用早熟和抗病亲本进行有性杂交而成。但由于杂交种后代会产生分离，从而增加育种年限。

2.3 杂种优势育种

杂种优势育种（heterosis breeding）是在F1的体质、繁殖和适应方面表现出超出亲本的现象，并利用其优势。梁哲军等［11］提出，合理株型（外在高光效）+高效光合（内部高光效）+杂种优势的技术路线，为棉花高光效育种提供参考。利用杂种优势较易将高产、优质和抗逆三者结合起来，能集中两种亲本的优势，且组合选配周期短，能较快满足各方面的需要［12］。但目前我国杂交棉种主要是人工制种，耗费大量的人力财力，增加了育种成本。

通过我们多N镇党员队伍现状分析发现无论是从年龄结构、性别比例、学历情况都与全国相比存在不小的问题，老龄化严重、女性党员比例和学历偏低的现象不容忽视。

2.4 诱变育种

诱变育种（mutation breeding）指将现有的品种，通过物理、化学及生物等诱变产生遗传物质变异，从而改良品种性状。20世纪以来，我国在诱变育种方面也取得了很大的进步，经过反复的实验培育出两个棉花新品系F2-40和F2-55［13］，为甘肃河西走廊棉花自然生态条件下优质棉品种选育奠定了基础。在株型方面，从中长果枝型的岱字棉15号选育出有限果枝类型适于密植的早熟丰产的新品系辐003。福射育种一般能在3～4代获得稳定的新品系，特别是当品种的某些有益性状和不良性状联系在一起时，辐射育种有利于打破这种连锁，使一个优良品种的某一劣性容易得到改良。但诱变育种很难对后代突变频率和类型做出预测，且对单一性状改良有效，很难同时改良多个性状。

2.5 离体组织培养育种

离体组织培养育种（tissue culture and breeding）是在无菌的条件下，将外植体培养在人工配制的培养基上，在培养条件适宜的情况下长成完整的植株［14］。陈妹幼［15］以几个陆地棉品种（系）的下胚轴为外植体，试图构建一种快速高效的体细胞再生植株的技术体系。

总之，常规育种方式多样，可以根据不同的选育目标采取不同的方法，且其育种过程中不需要高端仪器，适宜范围广，无论是科研单位还是地方育种家都可以用此法选育新品种［16］。以往老育种家们只需一把尺子一杆秤就是其最真实的写照。但是常规育种也有很多不足，在提高产量、品质及抗性上仍存在局限性，常规育种培育新品种的周期较长，要求试验田的面积也较大，需要的人工也多。因此，别墅等［17］指出利用常规技术与分子育种技术相结合培育品种是解决棉花问题的有效措施。

3 分子辅助株型育种

随着生物技术的发展，分子育种技术在棉花育种方面发展突飞猛进。利用分子生物学技术对现有的育种材料在DNA水平上进行性状鉴定、识别、转移、选择和重组，达到优产优质，培育出更适合农民生产的品种，为社会增添经济效益。其中基因工程育种（geneticengineeringbreeding）和标记辅助选择（MAS=Marker-assisted Selection）是现代育种技术的两项基本内容（M.E.Sorrells 和W.A.Wilson）。

3.1 基因工程育种

3.2 分子辅助育种

分子辅助育种是将遗传标记与目标基因紧密连锁分析，把含有目标基因的个体从群体中分离出来，达到有目的性的选择加速育种进程［20］。

3.2.1 遗传标记的类型

遗传标记是用作标记的基因，包括形态学标记（morphological marker）、生物化学标记（biochemical marker）、细胞学标记（cytological marker）、免疫学标记（Immune Genetic Markers）和分子标记（molecular marker）五种类型。形态学标记是指那些能够明确显示遗传多态的外观性状，如株高、果枝始节高度，营养枝个数等的相对差异，孟德尔经典遗传定律就是应用豌豆的种皮颜色为标记。细胞学标记指对处理过的生物个染色体核型和带型进行分析，包括染色体缺失、重复、易位、倒位等。生物化学标和免疫学标记主要在动物方面应用的比较多。分子标记是从DNA水平遗传多态性分析个体间核苷酸序列变异的标记，是目前应用较广的标记方法。

3.2.2 分子标记类型

分子标记可分为三大类。第一类包括以分子杂交为核心的限制性片段长度多态性标记（Restriction fragment length polymorphism，RFLP），DNA指纹技术，原位杂交等；第二类包括以PCR反应为核心的随机扩增多态性DNA标记（Random amplification polymorphism DNA，RAPD），简单序列重复标记（Simple sequence repeat，SSR），扩展片段长度多态性标记（Amplified fragment length polymorphism，AFLP），序标位（Sequence tagged sites，STS），序列特征化扩增区域（Sequence charactered amplified region，SCAR）等；第三类包括单核苷酸多态性（Single nuleotide polymorphism，SNP），表达序列标签（Expressed sequences tags，EST）等新型标记。

分子标记指个体间核酸序列内碱基变异，反映出生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段。生物主要的遗传物质是稳定且拥有遗传变异的DNA，因而与其它遗传标记相比，分子标记有多态性高，稳定遗传不受组织类别、发育时期和环境条件的影响。分子标记辅助选择育种是从基因方面选择，这就弥补了一些表现型差异不明显的鉴定困难，而且允许早期选择，可进行无损害的性状评价和选择，提高回交育种效率优点［21］。

3.2.3 棉花遗传图谱构建

分子标记技术已在农业基础与应用研究领域开始应用，特别是在构建分子遗传图谱和标记目的性状基因方面取得了很大的进展。1980年Bostein首先提出了利用RFLP标记构建遗传图谱的设想，1987年Donis-Keller发表了第一张人类的RFLP连锁图，此后许多植物的RFLP图谱陆续问世。1990年Willianms和Welsh各自独立发明了基于PCR的DNA多态检测技术。1995年Pieter Vos发明了AFLP分子标记技术。随着SSR分子标记和SNP分子标记的问世，越来越多的生物有了遗传图谱，且图谱上的标记也越来越密。目前所有重要的农作物已建立了遗传图谱。1994年Reinish首次应用RFLP标记构建了705个多态性位点，分布41个连锁群，总长4 675 cm的图谱。2015年雷蒙德氏棉D基因组和亚洲棉A基因组测序结果公布，加速了分子育种的进程。

3.2.4 QTL基因定位

QTL指性状座位或者性状基因座，是控制性状的基因在基因组中的位置。在分子育种中具有十分重要的研究意义。其原理是在分离群体中构建较高密度、均匀分布全基因组的分子标记连锁图。通过构建分离群体的遗传图谱和调查分离群体的田间性状，得到基因型和表型数据，并对其进行统计分析，在分子标记连锁图中定位出将决定数量性状的QTL。

目前QTL定位方法有很多种，包括单标记或单点分析、区间作图、带有背景控制的区间作图等［22］。单标记法（Single marker analysis）是最简单的分析标记与性状关联的方法，通过比较不同标记基因型均值间的差异显著性来检验QTL的存在。单标记法在20世纪80年代初应用得较多。区间作图法（Interval Mapping，IM）是以饱和连锁图谱为基础，在判断某一特定位置是否存在QTL时，同时利用该位置所在区间上左右两端相邻标记的信息。带有背景控制的区间作图包括复合区间作图（CompositeInterval Mapping，CIM）和完备区间作图（inclusive composite interval mapping，ICIM），是通过引入其他标记作为协变量，消除区间以外QTL对作图区间的影响。不同的背景标记选择对CIM的结果影响较大，ICIM简化了CIM中控制背景遗传变异过程，提高了QTL的检测功效。

利用QTL定位的方法来研究棉花的数量性状已经十分普遍。目前常用的作图群体有F2群体、BC群体、DH群体、RIL群体、近等基因系群体、染色体片段代换系群体等。棉花数量性状QTL定位在产量性状、纤维品质、抗病等方面的研究较多，在株型方面较少。2009年秦永生等［23］利用陆地棉中28以及陆地棉湘杂棉2号两个强优势杂交种构建F2作图群体，并利用该群体构建了具有245个多态性标记，总遗传距离为1 847.81 cM的遗传图谱。利用该图谱对于3个环境的表型数据，包括株高、果枝数 等性状进行QTL定位。在中28群体中利用平均值共定位出16个QTL，在湘杂棉2号群体中定位出20个。2012年，努斯热提-吾斯曼［24］利用新早陆33和TM-1构建F2作图群体，并构建了120个多态性标记，覆盖的遗传距离142.05 cM，利用该图谱对果枝始节高度、节间长度、果枝始节节位等株型性状定位出9个QTL位点。

4 结论与展望

近年来棉花育种应用研究发展很快，同其他作物一样，棉花由常规育种已发展到与分子标记辅助育种相结合的综合应用，在纤维品种改良、抗病虫、抗逆育种等方面均取得进展。但是目前我国适应机采棉的品种并不多，往往是纤维品质和株型不能同时达到机采要求，从而不能得到广泛的应用。所以在满足高产优质的基础上，仍需要不断改良棉花的株型；此外在注重机采的同时，也应加强简化栽培过程，如选育营养枝少的材料，使其在喷打叶片脱落剂后不至于挂很多叶片。综上所述，随着机采棉技术日渐成熟，株型育种必将在棉花育种研究中发挥越来越重要的作用。

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