李永旗,孫亮慶 ,謝業(yè)濤
(江西省棉花研究所,江西 九江 332105)
雜種優(yōu)勢(shì)是生物界普遍存在的現(xiàn)象,是增強(qiáng)作物抗逆性、改良作物品質(zhì)、提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一[1]。利用雜種優(yōu)勢(shì)是大幅提高作物產(chǎn)量和改良品質(zhì)的有效途徑[2],但是近年來(lái)棉花雜交種的利用呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。其主要原因是棉花為無(wú)限花序,人工去雄、授粉時(shí)間長(zhǎng),工作量大,加之最近勞動(dòng)力成本上漲,更加限制、妨礙了棉花雜交種的生產(chǎn)與推廣[3]。因此尋找簡(jiǎn)化、高效、低成本的棉花雜交種生產(chǎn)方式已成為雜交育種急需攻克的難題和發(fā)展方向[4]。
棉花隱性核不育系,具有可以穩(wěn)定遺傳,繁育簡(jiǎn)單,恢復(fù)源廣闊,容易獲得高優(yōu)勢(shì)的雜交種,雜交制種簡(jiǎn)捷,可以有效降低制種成本等優(yōu)勢(shì)[5]。因此在我國(guó)勞動(dòng)力成本日趨升高的形勢(shì)下,應(yīng)用前景極為廣闊[1]。
近5年來(lái),江西省棉花研究所在棉花隱性核不育系骨干親本培育及強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交棉選育方面做了大量的研究工作。通過(guò)對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的精準(zhǔn)定位,采用多親本復(fù)合雜交,定向選擇的方法,以改良綜合性狀為目標(biāo),成功創(chuàng)制出系列骨干親本[6-7]。在此基礎(chǔ)上,采用系統(tǒng)選育和雜交育種等方法,獲得了一系列在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病蟲(chóng)性等綜合性狀優(yōu)良的高代育種材料。目前已有棉花隱性核不育系強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合參加了江西省的棉花品種區(qū)域試驗(yàn)。
2005年我國(guó)雜交棉播種面積為170萬(wàn) hm2,此后大幅度增加,2007年播種面積達(dá)到最大(235萬(wàn)hm2) ,約占棉花播種總面積的31%,并連續(xù)2年雜交棉的播種面積占棉花總播種面積的比例均超過(guò)了30%[8]。此后由于制種成本的提高,雜交棉的播種面積略有下降。但是最近幾年無(wú)論是棉花的總播種面積還是雜交棉的面積均出現(xiàn)了較大幅度的下降。雜交棉的播種面積與其制種面積的變化趨勢(shì)基本一致,隨著制種面積的下降而下降。因此,降低棉花雜交制種成本成為促進(jìn)雜交棉大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
目前棉花雜種制種的方法主要有:人工去雄授粉法,兩系法(棉花雄性不育系雜交),三系法(細(xì)胞質(zhì)不育系雜交)[9]。近年來(lái)隨著人工成本的上漲,人工去雄雜交制種的方法越來(lái)越難以為繼。由于產(chǎn)量、品質(zhì)性狀優(yōu)良、一般配合力高且恢復(fù)能力強(qiáng)的恢復(fù)系培育較為困難,所以細(xì)胞質(zhì)雄性不育系品種在生產(chǎn)上的推廣面積極少[10]。相比之下,隱性核不育系,不僅可以利用已經(jīng)培育好的綜合性狀優(yōu)良的骨干親本作為恢復(fù)系,而且可以減少制種用工,降低制種成本,因此在生產(chǎn)上有較大面積的應(yīng)用[11]。
與可育株相比,棉花隱性核不育株主要表現(xiàn)為無(wú)花粉?;蚧ǚ哿I俣?,花絲短,花器略小,整個(gè)雄蕊緊縮在柱頭下部。湯澤生,等[12]以洞A兄妹系第6代、第8代的不育株和可育株為材料進(jìn)行了研究,結(jié)果表明不育株與可育株的苞片、萼片、花瓣差異不明顯;但是不育株表現(xiàn)為花絲短,雌蕊長(zhǎng),柱頭外露,子房大,胚珠稍多,花藥小數(shù)量少且均不開(kāi)裂。
棉花隱性核不育植株的主要特征是花粉敗育。研究結(jié)果表明花粉敗育主要發(fā)生在初生造孢細(xì)胞時(shí)期和雙核花粉粒時(shí)期,且兩個(gè)時(shí)期敗育的花粉表現(xiàn)略有不同。豆麗萍,等[13]研究表明,在花粉母細(xì)胞時(shí)期不育株的花藥有少量核仁穿壁現(xiàn)象,且少量小孢子母細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)半月形。不育株的小孢子沒(méi)有刺突長(zhǎng)出,最終會(huì)解體、退化,且花藥的絨氈層分泌胼胝質(zhì)的功能異常。最新的研究表明,棉花隱性核不育基因的表達(dá)涉及花藥細(xì)胞形態(tài)及生化代謝上的改變,具有一定的時(shí)空順序[14-15]。棉株不育性是由蛋白質(zhì)和酶等代謝物的改變引起的。所以較長(zhǎng)一段時(shí)間研究者均以不育株與可育株的花粉為材料,從生理生化的角度研究其不育發(fā)生的機(jī)理。
目前發(fā)現(xiàn)的核不育基因有兩種類型:雙隱性基因 ms8ms9、ms5ms6;單隱性基因 ms16、ms15、 ms14、ms13、ms3、ms2、ms1,相關(guān)的遺傳分析表明ms6和 ms9位于Ⅸ連鎖群[16],ms5和ms8位于V連鎖群[17],ms3位于Ⅲ連鎖群[18]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多研究者利用STS、SSR、SNP等分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)所發(fā)現(xiàn)的隱性核不育基因進(jìn)行了大量的精細(xì)定位。Joinmap軟件分析表明,ms15位于棉花第12號(hào)染色體的NAU1278_270(1.9 cm)和 NAU 2176_240(0.8 cm)兩個(gè)標(biāo)記之間。ms5同樣位于棉花第 12號(hào)染色體上,兩側(cè)標(biāo)記分別為 NAU 3561(1.4 cm),NAU 2176(1.8 cm)。ms6位于棉花第 26 染色體上,兩側(cè)標(biāo)記分別為BNL1227b(1.5 cm),NAU 460(1.8 cm)。這些較為詳細(xì)遺傳研究均為棉花隱性核不育系相關(guān)基因的定位、克隆及功能驗(yàn)證提供了理論基礎(chǔ)。
目前隱性核不育系的利用具有一定的地域性。單隱性核不育系的利用主要集中在四川省[19],雙隱性核不育系的利用主要集中在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,但是推廣面積均較小。已經(jīng)培育出的品種有川雜棉40、川雜棉35、川雜棉32、川雜棉27等單隱性核不育系雜交種,中棉所12、中抗A、 中棉所38、中棉所54等雙隱性核不育系雜交種[20-21]。近幾年核不育系雜交種在產(chǎn)量及適應(yīng)性方面均得以持續(xù)改進(jìn),推廣面積也向湖南、湖北等幾個(gè)長(zhǎng)江流域的植棉區(qū)擴(kuò)展。
限制隱性核不育系雜交種大面積推廣的主要原因是制種前期需要識(shí)別并拔除 50%的可育株。識(shí)別及拔除可育株,不僅嚴(yán)重浪費(fèi)了土地資源,而且費(fèi)時(shí)費(fèi)工,增加了制種成本。但是通過(guò)與不育基因緊密連鎖遺傳的指示性狀的識(shí)別,能夠在苗期間苗和定苗過(guò)程中去掉可育株,可以解決這個(gè)問(wèn)題。目前已發(fā)現(xiàn)的連鎖性狀為葉片部分畸形、芽黃性狀和抗卡那霉素標(biāo)記性狀等[22-24]。但是這些發(fā)現(xiàn)的連鎖性狀均未應(yīng)用于生產(chǎn)上,因此與不育性狀緊密連鎖的指示性狀的開(kāi)發(fā)及相關(guān)遺傳機(jī)理的研究仍然是隱性核不育系雜交制種研究的重點(diǎn)。此外核不育基因與恢復(fù)基因的調(diào)控機(jī)理仍然是我們關(guān)注的重點(diǎn)。