具有iaaM基因抗蟲(chóng)陸地棉新品系的選育

陳旭升，趙 亮，狄佳春

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江下游棉花與油菜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014)

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)棉花產(chǎn)量育種取得了舉世矚目的成就。然而，棉花品種產(chǎn)量的提高，大多是通過(guò)提高品種的衣分來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而衣分提高帶來(lái)的問(wèn)題是棉纖維變得愈來(lái)愈粗，馬克隆值變得愈來(lái)愈高[1-2]。馬克隆值的高低關(guān)乎棉纖維能否試紡高支紗；而在保障產(chǎn)量的前提下，試圖采用傳統(tǒng)的雜交育種手段來(lái)降低棉纖維的馬克隆值，提高棉纖維的綜合品質(zhì)，其效果非常有限[3]。而今，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展為棉花優(yōu)質(zhì)纖維的創(chuàng)制提供了新的途徑。Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)iaaM基因在FBP7啟動(dòng)子的啟動(dòng)下可以提高棉花胚珠中IAA的含量，進(jìn)而提高棉纖維凸起數(shù)量，從而可以使棉纖維不變粗的情況下提高棉花的衣分。王國(guó)寧等[5]分析了轉(zhuǎn)iaaM基因陸地棉品系F1、F2的經(jīng)濟(jì)性狀，顯示iaaM基因可以顯著改良棉花衣分和馬克隆值。陳旭升等[6]研究指出：轉(zhuǎn)iaaM基因具有綜合平衡與優(yōu)化陸地棉纖維三要素(長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、馬克隆值)的作用，特別是改良棉纖維馬克隆值的效果明顯。本研究通過(guò)分析筆者自育的3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM基因陸地棉新品系的基本經(jīng)濟(jì)性狀，旨在為培育抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)iaaM基因棉花新品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM基因抗蟲(chóng)陸地棉材料為WU024、U005、SR006，以常規(guī)抗蟲(chóng)棉WT118為對(duì)照。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 PCR檢測(cè)iaaM基因的PCR檢測(cè)，采用Zhang等[4]公布的引物，其堿基序列：F:5′-AAGGTAGCAGTTCTCTCCGC-3′；R:5′-TCGGCTTAGGAACATCCTCC-3′。

種子DNA的提取采用匡猛等[7]報(bào)道的方法。以特異引物做PCR擴(kuò)增，而后進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠電泳，采用張軍等[8]的方法快速銀染，膠片在閱讀燈下觀察、拍照。

1.2.2 比較試驗(yàn) 2019年，在江蘇睢寧王集試驗(yàn)地種植轉(zhuǎn)iaaM基因新品系WU024、U005、SR006、以常規(guī)抗蟲(chóng)棉WT118為對(duì)照。隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。全試驗(yàn)分次收吐絮籽棉，曬干籽棉稱重合并，軋花得大樣衣分，以小區(qū)面積計(jì)算籽棉、皮棉的產(chǎn)量。在吐絮盛期，收中部棉鈴20個(gè)，在室內(nèi)考種；而后取皮棉樣品20 g，寄農(nóng)業(yè)農(nóng)村部纖維品質(zhì)檢測(cè)中心測(cè)纖維品質(zhì)。利用Excel 2003統(tǒng)計(jì)軟件，分析有關(guān)經(jīng)濟(jì)性狀的表現(xiàn)。

1.2.3 生物學(xué)抗蟲(chóng)性的鑒定 抗棉鈴蟲(chóng)鑒定委托江蘇省農(nóng)科院植保所進(jìn)行。用于檢測(cè)的材料為轉(zhuǎn)iaaM基因抗蟲(chóng)棉核心品系SR006，以美國(guó)抗蟲(chóng)棉33B、國(guó)產(chǎn)抗蟲(chóng)棉GK19為抗蟲(chóng)對(duì)照，泗棉3號(hào)為非抗蟲(chóng)棉對(duì)照。具體實(shí)驗(yàn)操作參照柏立新等[9]提供的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 新品系的系譜來(lái)源與PCR分子檢測(cè)

品系SR006的來(lái)源：利用來(lái)自西南大學(xué)發(fā)放的轉(zhuǎn)iaaM基因材料IF1-1為親本，與大鈴、高產(chǎn)的轉(zhuǎn)Bt基因陸地棉品系N030雜交配組，得雜交F1。同年10月中旬，在海南三亞南繁加代。將南繁收獲的[N030×IF1-1] F2分離群體，種植在江蘇睢寧王集試驗(yàn)站。在大田非治蟲(chóng)條件下，選綜合表型優(yōu)良的單株38個(gè)。室內(nèi)考種，其中3個(gè)單株的衣分表現(xiàn)突出，編號(hào)分別為SP038-2-7、SP038-2-8、SP038-7-2。將3個(gè)單株種植成株行，編號(hào)分別為Q026、Q027、Q028，其中株行Q027綜合表現(xiàn)優(yōu)良。種植Q027群體，繼續(xù)系統(tǒng)選育，獲得具有iaaM基因的抗蟲(chóng)品系，編號(hào)SR006。該品系群體葉片直立，葉片有明顯皺褶。將該核心品系繼續(xù)用于雜交配組，進(jìn)一步選育其他目標(biāo)性狀的新品系。

品系U005的來(lái)源：以具有iaaM基因的抗蟲(chóng)品系SR006為親本，與高品質(zhì)種質(zhì)系SR040雜交配組(種質(zhì)系SR040的纖維長(zhǎng)度32.8 mm、比強(qiáng)度36.6 cN/tex、馬克隆值4.2，但衣分較低，僅34.1%)。南繁加代得分離群體[SR040×SR006] F2。種植F2分離群體，在不治蟲(chóng)條件下，在群體中選棉纖維品質(zhì)優(yōu)、衣分高的單株，并跟蹤檢測(cè)iaaM基因。而后進(jìn)行株行比較試驗(yàn)，其中編號(hào)為WT132的株行表現(xiàn)突出。種植該株系群體，并繼續(xù)選抗蟲(chóng)單株，而后繁殖株系,編號(hào)U005。該株系群體葉片直立、植株較矮，棉鈴大而圓形。

品系WU024的來(lái)源：以具有iaaM基因的材料SR006為親本，與高衣分抗病蟲(chóng)種質(zhì)系R086雜交配組(品系R086的纖維長(zhǎng)度29.0 mm、比強(qiáng)度31.8 cN/tex、馬克隆值5.7、衣分41.9%)。而后南繁加代，得雜交分離群體[R086×SR006] F2。種植分離群體，在不治蟲(chóng)條件下選株，并跟蹤檢測(cè)iaaM基因。而后進(jìn)行株行比較試驗(yàn)，其中編號(hào)WT111表現(xiàn)突出。種植該株系群體，并繼續(xù)選抗蟲(chóng)、高衣分單株；而后繁育品系，編號(hào)WU024。該品系群體長(zhǎng)勢(shì)較好，株型疏朗。

取以上3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM品系的種子提取DNA，采用Zhang等[4]公布的iaaM基因特異引物做PCR擴(kuò)增，而后做凝膠電泳，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，泳道1、2、3擴(kuò)增出500 bp大小的特征條帶，符合引物設(shè)計(jì)片段長(zhǎng)度，顯示品系SR006、U005、WU024具有iaaM基因；而泳道4為對(duì)照品系WT118，沒(méi)有擴(kuò)增出特征條帶，顯示該品系無(wú)iaaM基因。

M為Marker，泳道1、2、3、4分別為SR006、U005、WU024、WT118。圖1 品系iaaM基因的PCR檢測(cè)

2.2 大田農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)

3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM基因品系的基本農(nóng)藝性狀表現(xiàn)見(jiàn)表1。它們的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)如下：

表1 轉(zhuǎn)iaaM基因品系的大田經(jīng)濟(jì)性狀表現(xiàn)

(1)衣分：轉(zhuǎn)iaaM基因品系SR006的衣分高達(dá)43.9%，而來(lái)自SR006與高衣分種質(zhì)系雜交的系選后代WU024的衣分更高，達(dá)48.0%。SR006與高品質(zhì)種質(zhì)系雜交后代的選系U005的衣分較低，為38.2%，但比其初始的高品質(zhì)雜交母本SR040的衣分(34.1%)還是高出4.1個(gè)百分點(diǎn)。常規(guī)抗蟲(chóng)棉對(duì)照WT118的衣分較高，為41.9%。

(2)籽指：WU024的衣分最高，但籽指最低，為9.1 g；SR006的衣分高，籽指中等，為11.3 g；U005的衣分較低，籽指最高，為12.6 g。這顯示iaaM基因并沒(méi)有打破衣分與籽指間的負(fù)向遺傳關(guān)聯(lián)。

(3)單鈴重：品系U005的單鈴重最高，為7.2 g；SR006的單鈴重次之，為6.3 g；WU024的單鈴重最低，為6.2 g；對(duì)照WT118單鈴重，為6.7 g。

(4)株高：品系WU024的植株最高，平均為109.4 cm；品系U005的植株最矮，平均為97.9 cm；品系SR006的植株較高，平均為101.3 cm，與對(duì)照WT118的株高101.1 cm相當(dāng)。

(5)籽棉產(chǎn)量：WU024的籽棉產(chǎn)量最高，為236.5 kg/667 m2；U005的籽棉產(chǎn)量次之，為222.3 kg/667 m2；SR006的籽棉產(chǎn)量最低，為211.5 kg/667 m2。它們分別為對(duì)照WT118籽棉產(chǎn)量的108.4%、101.8%、96.9%。

(6)皮棉產(chǎn)量：WU024的皮棉產(chǎn)量最高，為113.6 kg/667 m2；SR006的籽棉產(chǎn)量次之，為92.9 kg/667 m2；U005的籽棉產(chǎn)量最低，為84.9 kg/667 m2。它們分別為對(duì)照WT118皮棉產(chǎn)量的124.3%、101.7%、92.9%。

2.3 纖維品質(zhì)的表現(xiàn)

3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM品系的纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)：轉(zhuǎn)iaaM基因?qū)е玛懙孛奘荏w的馬克隆值明顯變低，即纖維變得更細(xì)了。3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM基因品系WU024、U005、SR006，其馬克隆值分別為3.5、3.7、3.3，均低于對(duì)照WT118的馬克隆值(4.8)。其中品系U005的馬克隆值為3.7，而原初配組雜交母本SR040的馬克隆值為4.2；品系WU024的馬克隆值為3.5，而原初配組雜交母本R086的馬克隆值則高達(dá)5.7。

表2 轉(zhuǎn)iaaM基因品系的纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)

纖維長(zhǎng)度、整齊度、比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等纖維品質(zhì)性狀多與用于配置雜交組合的原初親本的纖維品質(zhì)有較大關(guān)聯(lián)。比如在3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM品系中，U005的纖維品質(zhì)之所以表現(xiàn)最優(yōu)，是因?yàn)樵撈废祦?lái)自于高品質(zhì)種質(zhì)系SR040的雜交系選后代。

2.4 核心品系SR006的生物學(xué)抗蟲(chóng)性表現(xiàn)

以美國(guó)抗蟲(chóng)棉33B(CK1)、國(guó)產(chǎn)抗蟲(chóng)棉GK19(CK2)為抗蟲(chóng)對(duì)照，對(duì)轉(zhuǎn)iaaM基因核心品系SR006的生物學(xué)抗蟲(chóng)性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果列于表3。由表3可見(jiàn)：品系SR006的Bt基因能正常表達(dá)生物學(xué)抗蟲(chóng)性，其平均抗性值為3.33，介于國(guó)產(chǎn)抗蟲(chóng)棉GK19與美國(guó)抗蟲(chóng)棉33B之間，達(dá)抗性級(jí)別。這表明陸地棉品系中同時(shí)存在外源iaaM基因與Bt基因，并不影響B(tài)t基因的抗性表達(dá)，顯示iaaM基因與Bt基因之間不存在拮抗作用。

表3 轉(zhuǎn)iaaM基因品系對(duì)棉鈴蟲(chóng)抗性的綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

關(guān)于轉(zhuǎn)iaaM基因?qū)μ岣哧懙孛抟路值男?yīng)，前人已有較多報(bào)道[3-6]。但本研究顯示，不同雜交組合后代選育獲得的轉(zhuǎn)iaaM基因陸地棉品系，其提高衣分的效果各有不同；除了具有iaaM的基因效應(yīng)外，還與原初配組親本的衣分水平以及所選品系的品質(zhì)、產(chǎn)量等綜合性狀的表現(xiàn)有關(guān)。比如轉(zhuǎn)iaaM基因品系U005，來(lái)自雜交組合SR040×SR006的系選后代，其雜交親本SR040屬于低衣分、高品質(zhì)材料，由此獲得的轉(zhuǎn)iaaM品系U005，其品質(zhì)性狀在3個(gè)轉(zhuǎn)iaaM品系中表現(xiàn)最優(yōu)，纖維長(zhǎng)度達(dá)29.5 mm、比強(qiáng)度35.8 cN/tex、馬克隆值3.7；而其衣分一般，只有38.2%。它雖然比高品質(zhì)親本SR040的衣分高出4.1個(gè)百分點(diǎn)，但比轉(zhuǎn)iaaM親本SR006的衣分則要低5.7個(gè)百分點(diǎn)。另一個(gè)組合R086×SR006，其親本R086是高衣分種質(zhì)系，其衣分高達(dá)41.9%，但棉纖維的馬克隆值為5.7。通過(guò)2個(gè)高衣分親本雜交，疊加不同來(lái)源的高衣分性狀，其雜交后代篩選獲得的轉(zhuǎn)iaaM品系WU024，大樣衣分則高達(dá)48.0%，比原初雜交親本R086的衣分高出6.1個(gè)百分點(diǎn)，比轉(zhuǎn)iaaM品系SR006的衣分也高出4.1個(gè)百分點(diǎn)。

至于轉(zhuǎn)iaaM基因?qū)档婉R克隆值的效果則是非常明顯的。比如本文以SR006為親本雜交選育獲得2個(gè)轉(zhuǎn)iaaM基因品系：其中品系WU024的馬克隆值僅3.5，比原初雜交母本R086的馬克隆值降低了2.2，但其衣分高達(dá)48.0%。以往的研究顯示，衣分與馬克隆值之間存在極顯著正相關(guān)[1]；然而在品系WU024中，衣分與馬克隆值的正向相關(guān)性似乎已經(jīng)被打破。另外，品系U005的馬克隆值為3.7，而其原初雜交母本SR040的馬克隆值為4.2，其馬克隆值也下降了0.5。由此可知，在陸地棉中轉(zhuǎn)入外源iaaM基因，不但可以提高衣分，同時(shí)也為降低馬克隆值，改善棉纖維細(xì)度，提高棉纖維的綜合品質(zhì)提供了一條有效途徑。