棉花诱变育种研究进展

宋志红+孟庆忠+张涛+李国荣

摘要：简述了诱变育种中常用的物理诱变和化学诱变在棉花育种上的应用及研究概况，提出了棉花诱变育种存在的问题，并对棉花诱变育种前景进行了展望。

关键词：棉花；诱变；育种

中图分类号：S330 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）24-6324-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.002

棉花是中国重要的经济作物，但中国非棉花原产地。棉花育种的亲本大部分从国外引進。虽然经过科技人员的努力攻关，在新品种选育方面取得了一定的成就，但近几年来，新育成品种丰产性、品质方面没有新的突破。原因主要是中国棉花育种资料贫乏，遗传基础狭窄[1]。诱变育种可以用来创造遗传性状上的质量和数量性状的额外变异，获得一些常规育种方法难以获得的新突变、新种质和新表型，大大丰富遗传变异范围，已被用来作为补充现有育种的重要工具[2]。加强诱变技术在棉花育种中的应用，是扩大棉花种质基础的一种快速、高效的方法。

1 诱变育种类型

诱变育种技术发展至今，主要有物理诱变、化学诱变以及定点诱变。定点诱变是在分子水平上进行操作，通过人为设计单个碱基的顺序，产生变异的新性状，以造成突变。物理诱变在棉花育种中应用比较广泛，化学诱变在棉花育种中的报道较少，定点诱变是近年来生物工程研究中发展迅速的一个领域，现已成为分子生物学研究的常用方法，可定点改造目的基因而引起基因突变和性状变异[2]。

2 诱变育种及应用研究

2.1 物理诱变及其在棉花育种上的应用

物理诱变主要是指利用辐射等物理因子诱发基因突变和染色体变异。物理诱变剂一般包括紫外线、X射线、γ射线、离子辐射（中子、带电粒子辐射）、其他物理诱变剂（电子束、激光、离子束注入）等，还包括近年来发展起来的重离子及太空诱变[3]。在棉花诱变育种中应用的物理诱变剂主要有γ射线、太空诱变、离子束注入、激光、电子束等。

棉花辐射诱变研究始于20世纪30年代。中国从20世纪60年代开始棉花辐射诱变育种，主要以γ射线为辐射源对棉花诱变进行研究。自1970年代至今，中国育成了鲁棉1号、新海2号、冀邯8号、太原112、运辐885和辐射1号鄂棉15号、皖棉1号、皖棉5号、盐城661和90197-1等品种，其中鲁棉1号在1980年代初作为主栽品种在北方棉区大面积推广种植，对中国棉花单产的提高起到了一定的推动作用[4]。近些年，岳洁瑜[5]研究发现20 Gy 60Co-γ射线对花粉粒的表面结构无影响，但对花粉粒内部结构产生明显的破坏作用，内壁变薄，不规则且部分向内凹陷，内质网解聚，内含物增多；与对照（自然花粉）相比，花粉粒活力降低了38%，授粉后胚珠的DNA多态性明显增加；在诱变后代中，M3代各农艺性状的变异系数最小，M1代的变异系数最大。童旭宏[6]利用60Co-γ射线辐射棉花诱变获得抗草甘膦棉花突变体，并研究了其抗性机理。穆国俊[7]通过50 Gy60Co-γ射线辐照棉花，获得了超鸡脚叶、无棉酚腺体突变体，并在DNA水平上检验了遗传的差异性。王喜源[8]用60Co-γ射线辐照棉花筛选出不育突变体，并利用RAPD标记扩增出38个多态性位点，提高了选育效率。孙君灵等[9]用γ射线辐照3个陆地棉和2个彩色棉种质，获得新的棉花种质资源，为育种提供新的材料。吴春太[10]利用γ-射线照射亚洲棉，分离、鉴定出1个不育矮秆突变体，研究表明可能是由1对隐性等位基因控制，γ射线诱导不育矮秆突变主要包括部分缺失与点突变。

航天诱变育种起步于20世纪50年代。中国自1987年开始，已进行了几十次航天生物学试验，培育了近400个新优良品种[11]。棉花航天诱变育种经过近30年的研究，也取得了显著的成效。中国农业科学院棉花研究所经过多年航天诱变育种研究，审定或认定棉花新品种3个，分别为中棉所50、中297-5和中棉所42，中棉所42已大面积推广应用；选育出3个正在参加国家或省级区试棉花新品系：中1701、中825和早中501；同时获得一大批优良种质新材料和突变体20余个，包括早熟丰产型、不育株、大铃早熟型、叶型变异株、高比强材料和株型变异株等[12]。另外，詹有俊等[13]利用航天育种技术培育出两个棉花新品系F2-40和F2-55，结铃性强，早熟性好，霜前花率高，抗枯萎病，增产效果显著，还筛选出了7个具有结铃性强、产量性状突出、抗枯（黄）萎病、品质较好的育种中间材料。洪梅等[14]获得5个海岛棉新品系以及10余份新种质材料。Li等[15]通过双向电泳和质谱鉴定技术，对航天诱变获得的芽黄突变体进行分析，找到14个可信的差异蛋白点，在蛋白质水平上初步探究了芽黄机理；Song等[16]对航天诱变获得的芽黄突变体VSP做了形态特征、农艺性状、细胞和基因水平的鉴定，结果表明叶绿素和类胡萝卜素水平与叶绿体结构有关，VSP是由核内一对隐性基因控制。朱海勇等[17]系统地研究了航天处理后代主要农艺性状的变异，结果表明，棉花航天诱变后代的主要农艺性状变异主要表现在SP1代，海岛棉形态变异多于陆地棉，航天诱变变异最大的农艺性状是铃数。Liu等[18]利用组织学和蛋白质组学研究了航天诱变获得的光敏遗传雄性不育突变体CRI9106的不育机制。结果表明，花粉外壁形成的缺陷是不育株不育的关键原因。Ma等[19]对航天诱变获得的淡绿色标记的不育系突变体研究分析表明，该性状由1个单一的隐性基因或2个紧密连锁的基因控制的。另外，细胞学观察和转录谱分析表明，花粉粒细胞质降解应该是长日照条件下雄性不育突变体不育的主要原因。

离子束注入技术在棉花创造新种质和改良品质方面也获得一定的研究成果。李立祥等[20]将N离子注入陆地棉和海岛棉的成熟花粉用于自交和远缘杂交。结果表明，N离子注入花粉，在M1代就可表出现较高频率的有益突变。郑冬官等[21]以棉花种子为材料，采用离子注入，选育出4个优质、高产、早熟和抗病虫的新品系。穆国俊[7]利用14N重离子注入棉花种子幼胚，获得纤维品质突变体。程备久等[22，23]往棉花种子中注入3种离子，发现采用离子注入对诱导棉花变异的效果很好，并且研究了离子注入棉花后农艺性状的变异、酯酶和过氧化物酶同功酶的变化。黄乐平等[24]通过离子束注入技术获取棉花矮化突变体植株，通过对矮化植株的SSR分析，表明矮化突变株与原高代品系相比具有较多的遗传差异。

其他物理诱变剂在棉花诱变育种上也进行了探索研究。陈震古等[25]研究发现，激光处理棉花有促进生长发育、增产和提高纤维品质的效应；用激光水处理棉花离体子叶，对其器官分化具有促进作用。靳芳等[26]研究了电子束辐照对棉花花粉萌发率的影响，结果表明在300～1 000 Gy范围内对陆地棉花粉萌发率有不同程度的抑制作用，但在一定程度上延长了陆地棉花粉的活力。

2.2 化学诱变及其在棉花育种上的应用

化学诱变是通过化学诱变剂与核苷酸中的磷酸、嘌呤、嘧啶等分子直接反應来诱发单核苷酸发生变异，产生新的等位基因的方法。化学诱变具有易操作、剂量易控制、对基因组损伤小、突变率高等特点。与物理诱变相比，很多化学诱变剂产生的点突变比例高，染色体畸变比例低。化学诱变由于不对作物基因组进行大的调整，引起的变异稳定且可遗传，下一代不会出现嵌合体，近年来成为运用较为广泛的诱变技术[2]。化学诱变剂是一些分子结构不太稳定的化合物，化学诱变剂种类有：烷化剂、亚硝基化合物、叠氮化合物、碱基类似物、抗生素、羟胺、呀啶等。棉花化学诱变中经常使用的诱变剂主要是甲基磺酸乙酯（EMS）、叠氮化钠（SA）等[27]。

化学诱变被用作一个有效的育种附加工具，可改善棉花的农艺性状。国外研究中， Brown等[28]利用EMS处理棉花种子，获得产量和纤维品质性状都有所提高的3个棉花突变品系，认为利用甲基磺酸乙酯（EMS）诱变可以创建有益的突变体，打破基本产量构成与纤维品质之负相关的关系。Bechere等[29]用EMS 3%（v/v）进行化学诱变处理棉花种子，获得纤维品质突变体。Patel等[30]利用EMS诱变，获得总共3 164个M5突变系，筛选出157个优良纤维品质的突变系。Bechere等[31]通过2.45%EMS处理棉花种子，选育出一个突变体，该突变体子棉可纺纤维棉被去除后，种子上仅附着少量的短纤维，具有轧棉速度快且耗能少的优点。Muthusamy等[32，33]利用化学诱变技术获得高产突变系，并研究了化学诱变剂EMS和NA对棉花离体茎尖产生的体细胞无性系变异，认为低浓度处理棉花可以改善农艺性状、提高棉花抗病性。Muthusamy等[34]和Davis[35]利用化学诱变技术来提高油脂含量和改变油脂成分，并获得了棉花油脂突变体。在国内，张献龙等[36]用EMS、NaN3对棉花外植体进行诱变，获得了多个棉花抗枯萎病耐毒细胞系，并对耐毒细胞再生植株进行了鉴定分析。沈法富等[37]把NaN3导入到鲁棉6号的花粉管内，选择出一个早熟株系，并对早熟株系进行RAPD分析。结果表明，NaN3可以引起后代DNA序列的广泛变异。叶春秀等[38]探索了适宜的新疆早熟陆地棉种子诱变体系，即EMS浓度为1.0%，处理 2 h是最有效的处理组合，并利用SSR标记证明了变异植株在DNA水平上发生了变异。穆国俊[7]用EMS对棉花品种冀棉20和农大156进行处理，获得了棕纤维、无棉酚腺体突变体，子指突变体，还有纤维品质突变体，还在SSR标记的DNA水平上检测验证了突变体的遗传差异性。

3 问题与展望

利用诱变育种，有效地改良了棉花早熟性、株高、抗病性、纤维品质性状等遗传性状，获得了一批品种和优良变异品系。与常规育种方法相比，诱变育种后代的性状稳定快，育种周期短。对于仅改变单一性状而言，诱变育种不产生遗传累赘。但诱变育种也存在一些不足，比如存在相当大的随机性，诱变的方向和性质难以控制，重复性差，目前还无法实现真正意义上的调控诱变，有利变异少以及需大量处理材料等。另外，定点诱变技术在棉花育种中还少有应用。因此，要成功有效地将诱变技术应用到棉花育种中以获得新的优良品种，必须加强对诱变技术相关理论、方法和作用机理的深入研究，结合细胞生物学、分子生物学技术，对诱变后机体产生的新的基因的调控与表达、蛋白质的合成等机理进行深入的探讨。

随着生物技术水平的不断提高以及棉花诱变育种研究的不断深入，相信未来的棉花诱变育种会获得更大的突破性进展。

参考文献：

[1] 张文英，邵 平.棉花遗传多样性研究进展[J].长江大学学报（自然科学版），2012，9（9）：1-6.

[2] 刘子瑜，黄先群，唐章林，等.马铃薯诱变育种研究进展[J].西南农业学报，2010，23（6）：2124-2128.

[3] 杜若甫.作物辐射遗传与育种[M].北京：科学出版社，1981.

[4] 朱乾浩，季道藩.棉花辐射诱变育种研究进展[J].棉花学报，1997，9（3）：113-119.

[5] 岳洁瑜.N+、α粒子、60Co-γ对陆地棉花粉的诱变效应研究及诱变后代鉴定[D].南京：南京农业大学，2010.

[6] 童旭宏.抗草甘膦棉花突变体R1098的选育及其抗性机理研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[7] 穆国俊.棉花有益突变体的创制及突变性状的分子遗传学鉴定[D].河北保定：河北农业大学，2008.

[8] 王喜源.60Co辐照处理对陆地棉育性的效应研究[D].南宁：广西大学，2013.

[9] 孙君灵，贾银华，潘兆娥，等.陆地棉表型性状的诱变效果评估[A].中国棉花学会2012年年会暨第八次代表大会论文汇编[C].2012.

[10] 吴春太.一个亚洲棉不育矮秆突变体的分离鉴定及相关基因克隆[D].南京：南京农业大学，2008.

[11] 王旭辉，赵晓梅，叶 凯，等.农业航天诱变育种的应用及研究进展[J].安徽农业科学，2013，41（23）：9575-9576，9598.

[12] 农业部棉花遗传改良重点实验室.棉花航天诱变育种研究进展[J].作物育种信息，2006（4）：8.

[13] 詹有俊，庄生仁，杨 涛，等.甘肃酒泉市棉花航天诱变育种成效及方法[J].中国棉花，2011，38（1）：7-9.

[14] 洪 梅，李诗林，吐尔逊·吐尔洪，等.太空诱变创制优异海岛棉资源[J].新疆农业科学，2015，52（7）：1308-1315.

[15] LI H J，JIANG B，FAN S L，et al. Proteomic analysis of a cotton virescent mutant obtained by space mutation[J].Cotton Science，2013，25（4）：345-351.

[16] SONG M Z，YANG Z G，FAN S L，et al. Cytological and genetic analysis of a virescent mutant in upland cotton （Gossypium hirsutum L.）[J].Euphytica，2012，187（2）：235-245.

[17] 朱海勇，钟 敏，杨 军，等.棉花航天诱变农艺性状的变异分析[J].湖北农业科学，2014，53（20）：4809-4811.

[18] LIU J，PANG C Y，WEI H L， et al. Data for proteomic profiling of anthers from a photosensitive male sterile mutant and wild-type cotton（Gossypium hirsutum L.）[J]. Data in Brief， 2015（4）：500-509.

[19] MA J H，WEI H L，LIU J， et al. Selection and characterization of a novel photo period-sensitive male sterile line in upland cotton[J]. Journal of Integrative Plant Biology，2013，55（7）：608-618.

[20] 李立祥，李爱青.氮离子注入棉花花粉诱发农艺性状变异的研究[J].激光生物学报，1997，6（3）：1160-1164，1159.

[21] 郑冬官，方其英，黄德祥，等.离子注入在棉花育种中的诱变功效[J].安徽农业大学学报，1994，21（3）：315-317.

[22] 程备久，李 展.三种离子注入棉花种子的细胞效应[J].安徽农业大学学报，1995，22（3）：189-195.

[23] 程备久，田秋元，余增亮.离子注入诱发棉花过氧化物酶同功酶及农艺性状变异的研究[J].棉花学报，1994（1）：41-47.

[24] 黄乐平，邵 琳，马 盾，等.利用离子束注入技术筛选陆地棉矮化株[J].新疆农业科学，2010，47（12）：2361-2366.

[25] 陈震古，刘小刚，孙文瑚.二氧化碳激光水预处理对棉花离体子叶培养的影响[J].安徽农业大学学报，1993，20（1）：53-55

[26] 靳 芳，李云爽，杨喜霞，等.电子束辐射对玉米及陆地棉花粉萌发率的影响[J].中国农学通报，2011，27（24）：164-168.

[27] 王曾珍，张 玉，白史且.植物诱变育种研究进展[J].草业与畜牧，2009（6）：1-5，23.

[28] BROWN N，SMITH C W，HAGUE S，et al.Within-boll yield characteristics and their correlation with fiber quality parameters following mutagenesis of upland cotton，TAM 94L-25[J]. Crop Science，2015，55（4）：1513-1523.

[29] BECHERE E，MEREDITH W R，BOYKIN J C. Registration of mutant population MD15 M4 Gossypium hirsutum L. with enhanced fiber quality[J].Journal of Plant Registrations，2013（2）：216-219.

[30] PATEL J D，WRIGHT R J，AULD D，et al. Alleles conferring improved fiber quality from EMS mutagenesis of elite cotton genotypes[J].Theoretical and Applied Genetics，2014，127（4）：821-830.

[31] BECHERE E，AULD D L. Registration of a tufted-naked seed upland cotton germplasm，9023n4t[J].Journal of Plant Registrations，2013，8（1）：63-67.

[32] MUTHUSAMY A，VASANTH K，JAYABALAN N. Induced high yielding mutants in cotton（Gossypium hirsuthum L.）[J]. Mutation Breeding Newsletter & Reviews，2005（1）：6-8.

[33] MUTHUSAMY A，JAYABALAN N. Radiation and chemical mutagen induced somaclonal variations through in vitro organogenesis of cotton（Gossypium hirsutum L.）[J].International Journal of Radiation Biology，2014，90（12）：1229-1239.

[34] MUTHUSAMY A， JAYABALAN N. Ovule culture of cotton with in vitro mutagenesis. Isolation of mutant lines for improved oil， lipid content and fatty acid compositions[J]. Journal of the Swamy Botanical Club，2011，27（17）：83-92.

[35] DAVIS L C. Modification of oil content in cottonseed using chemical mutagenesis[D].Lubbock，Texas：Texas Tech University，2015.

[36] 張献龙，姚明镜，史平臣，等.陆地棉抗枯萎病细胞系再生株后代的抗性鉴定[J].中国棉花，1998，25（7）：8-9.

[37] 沈法富，于元杰，尹承佾.棉花合子期化学诱变获得的早熟品系及其RAPD分析[J].遗传学报，1999，26（2）：174-178.

[38] 叶春秀，庄振刚，谢宗铭.新疆早熟陆地棉EMS诱变后代鉴定及分子标记检测[J].分子植物育种，2015（8）：1730-1734.