诱变育种在棉花育种上的应用研究进展

宋志红　孟庆忠　张涛　李国荣

摘要 概述了诱变育种的类型，综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，指出了棉花诱变育种存在的問题，并对棉花诱变育种的前景进行了展望。

关键词 诱变育种；类型；棉花；应用概况；前景

中图分类号 S330；S562.037 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）21-0040-03

棉花是我国重要的经济作物，但中国非棉花原产地。棉花育种的亲本大部分都是从国外引进。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的丰产性、品质方面没有新的突破。主要是我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。获得一些常规选择育种方法难以获得的新表型、新种质、新突变，已被用来作为补充现有育种的重要工具[2]。

阐述了诱变育种的类型，着重介绍了近年来在棉花诱变育种的物理诱变和化学诱变技术应用研究进展，以供参考。

1 诱变育种类型

诱变育种技术主要有物理诱变、化学诱变以及定点诱变。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]。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。

2 诱变育种在棉花育种上的应用研究

2.1 物理诱变

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，我国从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70年代至今，我国育成了鲁棉l号、新海2号、冀邯8号、太原112、运辐885、辐射1号、鄂棉15号、皖棉l号、皖棉5号、盐城661和90197-l等品种，其中鲁棉1号在80年代初作为主栽品种在北方棉区大面积推广种植[4]。近些年，岳洁瑜[5]研究发现，20 Gy60Co-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，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，M1代的变异系数最大，M3代各农艺性状的变异系数最小。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、鉴定出一个不育矮杆突变体，研究表明可能是由一对隐性等位基因控制，γ射线诱导不育矮杆突变主要包括部分缺失与点突变。

我国自1987年开始进行航天诱变育种，已进行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。中国农科院棉花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已在大面积推广应用；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2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 H J等[15]以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 M Z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 J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 J H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的原因。

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份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个抗病虫、早熟、高产、优质的新品系；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[22-23]等研究发现，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應；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生活力。

2.2 化学诱变及其在棉花育种上的应用

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，种类有烷化剂、叠氮化合物、亚硝基化合物、碱基类似物、抗生素、羟胺等。棉花化学诱变中经常用诱变剂的主要是甲基磺酸乙酯（EMS）、叠氮化钠（SA）等[27]。

化学诱变被用作为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EMS3%（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，该突变体籽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等[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。沈发富等[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，籽指突变体，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 存在的问题与前景展望

利用诱变育种，有效改良了棉花诸如早熟性、株高、抗病性、纤维品质性状等遗传性状，获得的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。但诱变育种也存在一些不足，比如存在重复性差、相当大的随机性、目前还无法实现真正意义上的调控诱变、诱变的方向和性质难以控制、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，应加强对诱变技术相关理论、方法和作用机理的深入研究，结合分子生物学、细胞生物学技术，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探讨。

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