1973—2000年黄河流域棉花品种改良与应用状况分析

利用1973—2000年国家黄河流域棉花区域试验资料及同期该棉区棉花品种推广的统计数据,总结了棉花品种改良的主要成绩,分析了棉花品种不同性状的育种效率。结果表明:产量性状的遗传改良效率逐年下降,早熟性、抗逆性和部分纤维品质指标的改良效率有所提高。探索性提出了提高育种效率的途径和方法。分析了棉花良种普及率及自育品种变化情况,针对目前美国转基因棉花在该区生产中优势,加强国产品种的推广已成当务之急。

棉花分子生物学公共实验平台建设与研究进展

回顾了中棉所棉花分子生物学公共实验平台建立、发展的过程,介绍了基本实验条件及主要研究方向,阐述了近年研究取得的主要进展。

棉花品种改良技术概要

根据棉花生物学特性及经济学特点,充分掌握棉花品种选育的相关技术及基本策略,以达到品种改良的目的。本文主要汇集了新中国成立以来棉花品种选育若干重要技术要点与经验,并对今后发展提出见解。

我国棉花育种技术的创新与成就

20世纪50年代以来,我国进行了6次棉花品种换代,每次更换使单产提高10%左右,纤维品质、抗病性和早熟性持续提高,中棉所10、12、16、19、35、41及鲁棉1号、冀棉8号等代表性品种为我国棉花生产作出巨大贡献。20世纪90年代起,抗虫棉育种、生化育种、分子标记辅助育种等现代育种技术逐渐应用于品种改良,使我国棉花育种的科技创新水平持续提高。讨论了我国棉花品种在纤维品质、抗黄萎病、耐盐碱等方面仍存在的缺陷,并就今后棉花遗传育种的目标、技术路线和发展方向进行了分析。

PEG胁迫方法评价棉花幼苗耐旱性研究

分别选用8个陆地棉、2个海岛棉、2个亚洲棉品种作为材料进行耐旱水平试验，以PEG6000作为水分胁迫剂，对棉花种子萌发期、芽期、子叶期和真叶期材料分别进行处理，得出了耐旱水平变化曲线，结果验证棉花耐旱性鉴定关键时期应在3～6片真叶幼苗。用不同浓度PEG6000对具有3～6片真叶的棉花幼苗进行12h连续处理后，统计其成活率。研究表明：PEG6000溶液浓度为17％（W／V）时，棉花幼苗的成活率与田间旱棚鉴定结果有较高的一致性。此方法简单、快速，易操作，基本可用于棉花品种的耐旱性评价与鉴定工作，并将为棉花耐旱分子生物学研究奠定基础。

与棉花纤维强度连锁的主效QTL应用于棉花分子标记辅助育种

本文以黄河流域广泛种植的转基因抗虫棉品种sGK321和sGK9708(中41)为轮回亲本,分别与优质丰产品种太121和高纤维品质渐渗种质系7235杂交的F1代材料杂交并回交,配置了杂交回交组合两套,运用与一个已定位的高强纤维QTL紧密连锁的2个SSR标记,通过对这两套杂交组合的不同世代群体的数据进行分析研究,在sGK321×[(Tai121×7235)×sGK321]组合的F2群体、F2:3群体和sGK9708×[(Tai121×7235)×sGK9708]组合的F2群体、F2:3群体中,有/无标记个体的平均纤维强度分别为29.78cN/tex//28.19cN/tex、29.35cN/tex//27.97cN/tex和29.74cN/tex//27.65cN/tex、29.12cN/tex//27.33cN/tex,差异都达到了极显著水平。本研究表明了此高强纤维主效QTL在不同的遗传背景,经过多代杂交、回交和自交后,能够稳定遗传而且QTL的效应稳定;利用此高强纤维主效QTL的分子标记进行辅助选择提高棉花纤维强度效果是显著的。可以在棉花的苗期或早期世代进行分子标记辅助选择,这为快速有效地改良棉花纤维品质、培育棉花新品种新品系提供了理论依据。并运用此项技术结合其它手段进行优质、抗虫等基因的聚合育种研究,快速有效地改良现有的陆地棉推广品种,创造高产、优质、抗虫棉花新材料或新品系。

盐胁迫下不同耐盐类型棉花的萌发特性

采用滤纸卷直立发芽法,将两个不同耐盐性棉花品种用不同浓度的NaCl溶液(0、0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%)处理后,测定棉花的发芽势、芽长、芽重等指标,结果表明,低盐浓度(≤1.2%)对棉花发芽势几乎没有影响,高盐(≥1.2%)胁迫显著降低棉花发芽势,故用发芽势来鉴定棉花的耐盐性,浓度至少要达到1.2%以上。盐胁迫对棉花芽长影响大于棉花芽重,随着盐溶液浓度的增加,棉花芽长受抑制程度不断加强,盐浓度为0.8%时的棉花芽长作为棉花耐盐性指标是最理想的选择;盐浓度与棉花芽重呈高度负相关,盐浓度为0.8%的棉花芽重可以作为鉴定棉花耐盐性参考指标。

豫北露地直播棉田杂草的发生及其与棉花的竞争作用

为了明确棉田自然混生杂草对棉花的危害程度及其关键防除时期,通过田间杂草共生期试验,研究了豫北露地直播棉田杂草的发生及其与棉花的竞争临界期。结果表明,豫北地区露地直播棉田的优势杂草为牛筋草、马齿苋、藜和鳢肠,杂草出土高峰期集中在棉花苗期和花蕾期,且存在3个出土高峰,分别在5月中旬、6月上中旬和7月中下旬。当杂草与棉花竞争持续时间少于4周时,由于杂草与棉花植株均较小,且土壤中养分相对充足,因此杂草对棉花生长和产量的影响不大;当杂草与棉花竞争期达8周以上时,杂草对棉花的竞争作用明显增强,棉花的株数减少,茎秆变细,形成瘦高植株,且单株结铃数、铃重等产量指标明显降低。因此,豫北棉田自然混生杂草群落与棉花的竞争临界期为棉花出苗后4～8周,在此期间应采取相应措施,保证田间无草害。

棉花BC_5F_2代换系的产量及品质相关性状表型分析及QTL定位

本研究利用生产上推广的优良早熟陆地棉栽培品种中棉所36为受体亲本,海岛棉海1为供体亲本,选择培育了一套由303个单株组成的BC5F2代换系。从已构建的BC1F1遗传图谱上以5~10cM为标准挑选391对多态性标记进行分子检测,多数单株含有海岛棉代换片段数为2~10个。对该群体的单株产量、品质性状进行了表型鉴定,存在大量具有优良品质的单株,纤维强度最高的能达到37.8cN/tex,铃重、衣分、纤维长度、整齐度、马克隆值、伸长率及纤维强度超轮回亲本分别为17.82%、44.55%、46.86%、33.33%、74.92%、41.58%、42.57%。采用性状-标记间的单向方差分析,共定位了20个与产量性状和33个与纤维品质性状有关的QTL,其中qUN-14-2、qBW-2-20、qFL-2-20和qMV-1-38这4个QTL存在一定的遗传稳定性。鉴定的QTL大多是微效基因,解释表型变异为3.01%~9.69%,该研究为染色体单片段代换系的精细的分子研究奠定了基础。

基于地统计学的棉花长势空间变异分析

采用地统计学的变异函数分析方法对我国2006年棉花长势空间变异特性进行了分析，结果表明，基于县域尺度的我国长势指标存在空间异质性。5月真叶数、6月真叶数、7月总果节数、9月成铃数的半方差值随间隔的变化很好的符合高斯理论模型的变化趋势，模型拟合的决定系数变化在0．472～0．856之间，8月成铃数则较好地符合球状理论模型，模型拟合的决定系数为0．879。空间自相关范围分别是1644．25、1822．61、2293．59、2777．63、1195．56km。5月份单株真叶数99．9％的空间变异是由于结构性因素的原因造成的，7月份的单株总果节数的96．7％的空间变异是由于结构性因素的原因造成的，6月单株真叶数、8月单株成铃数、9月单株成铃数的空间分布的结构比分别为0．61、0．929、0．869。

棉花航天诱变的农艺性状变化及突变体的多态性分析

系统研究航天处理后代SP1、SP2和SP3在棉株生长发育、产量性状、纤维品质性状的变异,从DNA水平上初步证明了航天诱变的机理。

棉花根系生长和空间分布特征

结合田间根钻取样和图像扫描分析方法 ,研究了不同棉花品种根系的长度、直径和表面积动态及 0～ 10 0cm深和 0～ 4 0cm宽土壤范围内的空间分布特征。该方法与常规直尺测量结果相比相关系数R2 达到 0 .899(n =1318) ,显示了较好的可靠性。研究结果表明 ,棉花平均根长密度 (RLD)在花铃期为 1.2 1～ 1.2 7mm·cm-3 ,吐絮后降至 1.0 4～ 1.12mm·cm-3 ,收花时为 0 .76mm·cm-3 。棉花根平均直径在不同基因型间存在显著差异 ,抗虫杂交棉的根直径最粗 ,平均为 0 .5 2mm ;早熟类型品种根直径较细 ,平均为 0 .36mm。在土壤深度上根直径的差异不显著 ,但距棉行距离越远 ,根的平均直径越小。在明确根系长度和直径动态规律的基础上 ,提出了根表面积指数(RAI)的概念 ,与地上部叶面积指数具有相似的含义和生物学意义 ,且呈较好的指数相关关系 (R2 =0 .779)。RAI在生理发育时间 (PDT)小于等于 4 0前 ,其增长动态符合LOGISTIC生长规律 (R2 =0 .84 9) ,在PDT大于 4 0后 ,呈线性递减趋势 (R2 =0 .5 70～ 0 .895 ) ,且杂交抗虫棉的RAI在全生育期内均明显高于其它类型品种 ,而早熟类型品种相对略低。RAI空间分布特征表现为 ,开花前在浅根层内 (0～ 30cm)分布最多 ,花铃期以中层根系 (40～ 6 0cm)为主 ,吐絮后主要以深层

棉花纤维长度主效QTLs的分子标记辅助选择及聚合效果研究

以2个品种(系)TG41和sGK156以及3个纤维品质优异的种质系7235、HS427-10和0-153为亲本,配制了(sGK156×HS427-10)×(0-153×7235)(、TG41×HS427-10)×(0-153×7235)和(sGK156×0-153)×(sGK156×HS427-10)3套组合的双交F1及F2群体,利用3个纤维长度不同QTLs相关的SSR标记进行辅助选择。结果,用3个标记分别进行单标记辅助选择时,有/无标记单株平均纤维长度之间的差异在3个群体的F1世代中都可以达到显著或极显著水平,并且在F2世代株行中也表现出一定差异,可以稳定表达。当用2个或3个标记同时进行聚合选择时,随着聚合到QTL个数的增多,单株平均纤维长度值增大,选择效果越来越好,但在不同群体中表现有差异。可见,用分子标记辅助选择的方法对棉花纤维长度进行改良是有效的,聚合多个QTLs时,可以达到更好的效果。有必要培育多个基因聚合并纯合的高代重组自交系材料,进一步研究多基因聚合的遗传效应。

裸苗移栽棉花根系形态特征的初步观察

对收获期裸苗移栽、营养钵育苗移栽和直播棉花的成熟棉株根系形态特征进行了剖面观察,发现裸苗移栽棉株的侧根向四周呈伞面放射状生长,可见粗而健壮的优势侧根6～8条.株-1;营养钵移栽棉株的侧根多向一侧呈鸡爪状极性伸展,可见优势侧根1～2条或2～3条;直播棉花为典型的直根系。经测定,裸苗移栽棉花一级侧根条数44条.株-1,分别比营养钵移栽和直播棉的多15.8%和37.5%;根直径0.31cm,分别比营养钵移栽和直播棉的粗20.5%和88%;根干重31.9g.株-1,分别比营养钵移栽和直播棉的重22.2%和75.3%。

国家棉花区试新品种的SSR指纹图谱分析

以2009年度参加黄河流域国家棉花区试的57份参试品种为材料,运用筛选确定的22对多态性好、条带清晰的SSR引物对参试品种进行分子标记分析,共检测出145个等位位点,其中106个为多态性位点,平均每对引物4.8个,多态性比率平均达到72.7%,PIC平均值为0.661。利用106个多态性片段构建了这些品种的SSR指纹图谱。遗传聚类结果显示,在相似系数为0.98时,57个区试品种完全区分开;同一地区和同一单位育成的品种在不同程度上聚在一类,说明它们的遗传关系较近。

海南冬季棉花生育期分析

采用124个陆地棉品种(系),于2004-2005年冬季在海南岛三亚进行了4个播期的自然生育期试验。结果显示,全生育期平均为132.75 d,与我国主产棉区相差不大。不同播期之间全生育期相差较明显,以10月1-2日的第一播期最短,11月16-20日的第三播期最长,两者相差约15 d。冬繁棉花,早熟与中熟品种的全生育期相差不大(不到5 d),与棉区差异悬殊。就是在12月初播种,两个熟性的品种在4月中旬都能够完成自然生育期。根据试验结果,作者提出了冬繁棉花的“凹型生长模式”,并发现在后期播种的各个生育阶段,生育期的调节存在“缓冲”或“补偿”作用。根据凹型模式,作者提出科研南繁和产业南繁最佳播种期是10月,而抢季南繁在12月初播种亦可成功,并认为控制生育期的关键是在生长速度“低谷”时期。

转几丁质酶和葡聚糖酶双价基因棉花株系对黄萎病的抗性

采用人工病圃、重病田及苗期室内鉴定相结合的方法,研究了转双价(Chi+Glu)基因的棉花株系61217-1对棉花黄萎病的抗性。结果表明,转基因棉花株系61217-1在人工病圃连续3年达抗病水平,病指极显著低于其受体中棉所24。2009年该转基因株系在河南安阳、江苏大丰及新疆石河子棉花黄萎病重病田的病指分别为18.7、18.1和16.7,均极显著低于受体中棉所24的病指。该转基因株系对来自河北、湖北、新疆的3个强致病力落叶型菌株均达抗病水平,病指分别为16.4、16.8和15.6,也极显著低于受体中棉所24的病指。表明转双价(Chi+Glu)基因的棉花株系61217-1具有优异稳定的抗黄萎病性。

花粉管通道法获得棉花转基因株系主要农艺性状变异分析

通过对花粉管通道法获得的38个棉花转基因株系稳定后代T5代主要农艺性状的变异进行分析发现,外源基因的导入可引起受体植株后代农艺性状可遗传的非靶标变异,且变异广泛,多个农艺性状出现了显著性变异。叶长和叶宽均有变短的趋势,但裂叶缺刻深浅变异方向不定,说明部分叶片变得更加皱缩。株高变异方向不定。与对照相比,吐絮期提前,单株结铃数增加,使皮棉和子棉产量均增加。纤维品质变异也很大,如比强度增大、麦克隆值变大、纤维长度也显著增加;短纤维指数变异方向不定。

棉花早熟芽黄突变体叶绿素荧光动力学特性研究

以中棉所58及其航天诱变芽黄突变体为研究对象,利用快速叶绿素荧光诱导动力学测定和JIP-test数据分析方法,研究了晴天条件下野生型(Wild type,WT)和突变体5个叶位叶片(倒1叶至倒5叶)的原初光化学反应的变化。结果表明,突变体倒2叶最大光化学效率(Fv/Fm)最低,至倒5叶时恢复正常。突变体叶片较高的K点的相对可变荧光值(Wk)表明放氧复合体受到损害。与野生型相比,突变体新生叶片的O-J-I-P荧光诱导曲线的初始斜率(Mo)升高,标准化后的O-J-I-P荧光诱导曲线、最大荧光强度及y轴之间的面积(Sm)、用于电子传递的量子产额(φEo)、反应中心捕获的激子中用来推动电子传递到电子传递链中超过QA-的其它电子受体的激子占用来推动QA-还原激子的比率(ψo)值降低,表明叶片发育早期PSⅡ受体侧的QA-大量积累,电子传递链受阻。通过分析突变体光合机构的比活性参数发现,在叶片发育的早期,突变体单位反应中心吸收的较多的能量以热和荧光的形式被耗散掉。突变体新叶发育前期黄化、后期变绿,推测早期叶绿素合成受阻,造成光系统损伤、光合性能下降。