趙云雷，王紅梅，劉傳亮

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽455000）

為了進(jìn)一步加強(qiáng)與澳大利亞在棉花遺傳育種研究領(lǐng)域的合作，2019年3 月，在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程的資助下，作者3 人對(duì)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，簡稱 CSIRO）位于納拉布賴（Narrabri）的澳大利亞棉花研究所和位于堪培拉（Canberra）的黑山實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期8 d 的學(xué)術(shù)交流。 考察團(tuán)針對(duì)我國棉花育種現(xiàn)狀，與澳方專家進(jìn)行了充分交流，進(jìn)一步了解了澳大利亞棉花生產(chǎn)、育種情況，現(xiàn)總結(jié)如下，供國內(nèi)同行參考。

1 澳大利亞棉花生產(chǎn)概況

澳大利亞棉花種植帶主要分布在北部和東南部的昆士蘭州和新南威爾士州，年種植面積在16萬～60 萬hm2。 澳大利亞棉花單產(chǎn)居世界首位，皮棉平均產(chǎn)量 1 600 kg·hm－2以上[1]。澳大利亞植棉機(jī)械化程度高，棉花從播種、田間管理到收獲全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。 在棉花播種方面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械播種與種子編號(hào)識(shí)別的同步進(jìn)行； 在棉花收獲方面，可以同時(shí)對(duì)單行區(qū)及多行區(qū)進(jìn)行機(jī)械收花操作。

澳大利亞棉花生產(chǎn)主要面臨干旱問題，由于棉花種植區(qū)域干旱少雨，棉花生產(chǎn)主要依靠灌溉，灌溉棉田占全國總面積的80%～90%[2]。另外，政府對(duì)地下水開采有限制，其棉花灌溉用水主要來自降雨，是典型的雨養(yǎng)棉花。

棉花病害主要有黃萎病、枯萎病、根腐病、爛鈴病等，害蟲有棉鈴蟲、紅蜘蛛、白粉虱等，逆境脅迫有冰雹、干旱、高溫、板結(jié)等。 在病蟲害防治技術(shù)方面，一是篩選抗病資源材料，通過育種措施提高對(duì)病害的抗性；二是通過多種防治措施的整合來控制蟲害。 這些防治措施包括：（1）種植抗蟲品種，包括商業(yè)化的轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉品種和種間雜交培育的抗紅蜘蛛品種；（2）破壞害蟲越冬的食源，如種子；（3）在棉田周圍種植誘捕作物；（4）棉田釋放害蟲的天敵或寄生蟲，并定期統(tǒng)計(jì)害蟲與天敵或寄生蟲的動(dòng)態(tài)變化；（5） 利用蟲害的防治閾值合理指導(dǎo)害蟲防治；（6） 優(yōu)先選用可以保護(hù)天敵或寄生蟲的殺蟲劑；（7） 在迫不得已的情況下才使用廣譜殺蟲劑；（8）允許對(duì)非經(jīng)濟(jì)性狀產(chǎn)生危害的害蟲存在。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織在納拉布賴、堪培拉、吉郎（Geelong）等地設(shè)有棉花研究機(jī)構(gòu)。 其中，位于納拉布賴市的澳大利亞棉花研究所主要從事棉花育種、植保、栽培生理、營養(yǎng)、耕作制度等方面研究，位于堪培拉的CSIRO 總部棉花改良實(shí)驗(yàn)室主要從事分子標(biāo)記、纖維發(fā)育、棉鈴蟲基因組等方面研究，位于吉郎的棉花機(jī)構(gòu)主要研究軋花或脫葉過程對(duì)纖維品質(zhì)的影響，從而來改進(jìn)軋花及紡織設(shè)備。

2 澳大利亞棉花育種概況

澳大利亞棉花育種歷史悠久，1972年CSIRO棉花研究所成立，1983年開始向市場釋放棉花品種，截至目前共釋放了108 個(gè)棉花品種，其中包括41 個(gè)常規(guī)品種和67 個(gè)轉(zhuǎn)基因品種。 研究表明，澳大利亞棉花品種對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)在50%左右，管理措施對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)在30%左右，品種和管理措施的相互作用對(duì)產(chǎn)量也起一定的作用[3]。

2.1 育種目標(biāo)

澳大利亞棉花育種目標(biāo)主要包括高產(chǎn)、 優(yōu)質(zhì)、廣適、抗逆、抗病蟲等，其中對(duì)抗蟲性狀的研究主要集中在將轉(zhuǎn)基因抗蟲性狀與抗除草劑性狀聚合方面。 在棉花纖維品質(zhì)育種目標(biāo)方面，目前澳大利亞主推棉花品種纖維長度平均為28.66 mm，范圍分布在 26～31 mm 檔，其中 28 mm 和 29 mm 檔的棉花所占比例分別為46.98%和25.80%，31 mm 檔占0.3%，26 mm 檔占2.94%[4]。當(dāng)前纖維品質(zhì)育種目標(biāo)主要是針對(duì)未來的市場需求： 陸地棉品種HVI（High volume instruments）測定的合格級(jí)纖維品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是纖維長度 30 mm、斷裂比強(qiáng)度31 cN·tex－1、馬克隆值3.9～4.5，該品質(zhì)類型改良的重點(diǎn)方向是斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值；優(yōu)質(zhì)級(jí)纖維品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是長度 32 mm、斷裂比強(qiáng)度 32～34 cN·tex－1、馬克隆值3.8～4.2，該品質(zhì)類型改良的重點(diǎn)方向是追求高品質(zhì)和市場競爭力。 海島棉品種HVI 測定的合格級(jí)纖維品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是長度36 mm、 斷裂比強(qiáng)度45 cN·tex－1、馬克隆值 3.8～4.0，該品質(zhì)類型改良的重點(diǎn)方向是超長、超強(qiáng)和綜合品質(zhì)優(yōu)良。

2.2 育種技術(shù)

CSIRO 棉花研究所的棉花育種包括2 個(gè)部分：常規(guī)棉花育種和轉(zhuǎn)基因棉花育種，前者占育種工作量的60%左右，后者占40%左右。 因?yàn)榇蟛糠洲r(nóng)藝性狀的改良主要靠傳統(tǒng)的常規(guī)育種手段，所以育種者把大部分時(shí)間花在培育常規(guī)棉品種上。 但是，由于目前農(nóng)民不喜歡種植常規(guī)棉品種，在育種中常規(guī)棉育種材料每年只安排5～6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，而轉(zhuǎn)基因材料（抗蟲、抗除草劑）每年安排10～20 個(gè)點(diǎn)；而且培育出的常規(guī)棉品種，還要進(jìn)一步與轉(zhuǎn)基因品種進(jìn)行雜交來培育新的轉(zhuǎn)基因品種。

2.2.1棉花常規(guī)育種。澳大利亞的常規(guī)棉花品種包括：（1）Siokra 系列品種如 Siokra1-4、SiokraL22、SiokraS324 等，這類品種主要是雞腳葉類型品種；（2）CS 系列品種如 CS189、CS50、CS7s 等，這類品種品質(zhì)性狀突出；（3）Sicala 系列品種如 Sicala34、SicalaV1 等，這類品種抗枯黃萎病性狀突出[5]。在常規(guī)棉品種培育方面，首先將親本在田間進(jìn)行雜交，在溫室進(jìn)行加代，對(duì)F2單株進(jìn)行產(chǎn)量、品質(zhì)、配合力測試，留下30%左右的單株種成株行；再針對(duì)株行進(jìn)行一系列的產(chǎn)量比較試驗(yàn)及多點(diǎn)試驗(yàn)，經(jīng)多點(diǎn)試驗(yàn)后，將種子交給種子公司，由種子公司進(jìn)行繁殖、制種，并進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)試驗(yàn)和商業(yè)化推廣。

與我國不同，澳大利亞棉花新品種的區(qū)域試驗(yàn)是由育種單位自己承擔(dān)，區(qū)域試驗(yàn)所需的經(jīng)費(fèi)來自種業(yè)公司。 第一年，育種單位對(duì)自己選育的比較好的新品系，在東部棉花帶從南到北選擇17 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)，根據(jù)多點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果選出表現(xiàn)較好的10 個(gè)材料，每個(gè)材料向種子公司提供一定量的種子，由種子公司對(duì)這10 個(gè)材料進(jìn)行第二年的區(qū)域試驗(yàn)；經(jīng)過第二年的區(qū)試，從這10 個(gè)材料保留5個(gè)材料進(jìn)行第三年的區(qū)試；經(jīng)過第三年區(qū)試，只選出2 個(gè)品種進(jìn)行生產(chǎn)推廣，且這2 個(gè)品種一定要比生產(chǎn)上推廣的對(duì)照品種有優(yōu)勢，這樣才能得到農(nóng)民的認(rèn)可。

2.2.2棉花轉(zhuǎn)基因育種。澳大利亞商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因棉花品種有保鈴1 號(hào)（Ingard，含有cry1Ac 抗蟲基因）、保鈴 2 號(hào)（Bollgard II，含有cry1Ac＋cry2Ab 抗蟲基因）、保鈴 3 號(hào)（Bollgard III，含有cry1Ac＋cry2Ab＋vip抗蟲基因） 等抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花品種和 Roundup Ready、Roundup Ready Flex、Liberty Link、Xtend 等抗除草劑轉(zhuǎn)基因品種。澳大利亞從1996年開始種植轉(zhuǎn)基因棉花品種保鈴1 號(hào)，2003年種植保鈴 2 號(hào)，2015年種植保鈴 3 號(hào)。 這些轉(zhuǎn)基因棉品種最初由孟山都公司或拜耳公司提供，孟山都公司或拜耳公司與澳大利亞種子公司簽訂商業(yè)協(xié)議，澳大利亞種子公司資助育種單位進(jìn)一步把轉(zhuǎn)基因性狀轉(zhuǎn)入自己的品種中，新品種的所有權(quán)屬于孟山都公司或拜耳公司和澳大利亞種子公司。新品種商業(yè)化后，孟山都公司再向農(nóng)民授權(quán)進(jìn)行種植，并收取一定的費(fèi)用，抗除草劑品種的種植費(fèi)用目前為每公頃380 元（79 澳元），同時(shí)抗蟲和抗除草劑的品種種植費(fèi)用為每公頃1 900 元（401 澳元）。

在新的轉(zhuǎn)基因棉花品種研發(fā)上面，一是利用商業(yè)化轉(zhuǎn)基因品種與澳大利亞國內(nèi)培育的品種進(jìn)行雜交、回交，將孟山都公司的抗蟲基因或其他基因?qū)氍F(xiàn)有的品種中，從而培育新的優(yōu)良轉(zhuǎn)基因品種；二是直接進(jìn)行不同轉(zhuǎn)基因品種間的雜交來聚合多個(gè)目標(biāo)性狀基因，進(jìn)一步通過性狀篩選和單株選擇獲得新的轉(zhuǎn)基因品種。目前的工作是將保鈴3 號(hào)與不同的抗除草劑品種進(jìn)行雜交，培育既抗蟲又抗除草劑的新品種。

在轉(zhuǎn)基因檢測方面，CSIRO 作物改良實(shí)驗(yàn)室建有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)基因檢測管理制度，轉(zhuǎn)基因檢測實(shí)驗(yàn)室與其他實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格隔離，其耗材及廢棄物要經(jīng)過專業(yè)處理及銷毀。實(shí)驗(yàn)室目前大量的轉(zhuǎn)基因檢測工作是對(duì)保鈴3 號(hào)與抗草甘膦棉花雜交后代的分子檢測，從而篩選獲得聚合不同抗棉鈴蟲基因與抗草甘膦基因的轉(zhuǎn)基因棉花植株。

2.2.3分子標(biāo)記輔助育種。在纖維品質(zhì)性狀改良方面，除了利用常規(guī)育種方法外，目前正在積極研發(fā)棉花前育種 （Pre-breeding） 與傳統(tǒng)育種的集成技術(shù)： 通過將基礎(chǔ)研究的纖維發(fā)育相關(guān)基因（MYB、PME、NAC）進(jìn)行全基因組選擇標(biāo)記的開發(fā)，并將其用于育種選擇；同時(shí)結(jié)合抗蟲、抗除草劑性狀相關(guān)標(biāo)記，進(jìn)行優(yōu)質(zhì)、抗蟲、抗除草劑性狀的聚合，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)量、適應(yīng)性、抗病性、抗逆性、水分利用效率等第三方性狀的導(dǎo)入，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性的集成育種改良。

在棉花抗病性研究方面，CSIRO 作物改良實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行棉花抗病相關(guān)的分子標(biāo)記發(fā)掘研究，該實(shí)驗(yàn)室通過溫室抗病性鑒定獲得1 個(gè)高抗黃萎病的亞洲棉材料；進(jìn)一步通過染色體加倍并與四倍體棉花雜交獲得四倍體棉花抗病材料，利用該四倍體棉花抗病材料與現(xiàn)有棉花品種進(jìn)行雜交、 回交，對(duì)抗病性進(jìn)行改良。 在抗病性改良過程中，材料的抗病性鑒定主要在溫室進(jìn)行，利用抗病相關(guān)的分子標(biāo)記對(duì)回交后代進(jìn)行輔助選擇，同時(shí)進(jìn)行輪回親本的背景選擇?？共∠嚓P(guān)的分子標(biāo)記主要來自前期的數(shù)量性狀位點(diǎn)（Quantitative trait loci，QTL）定位結(jié)果，同時(shí)利用田間抗病表型數(shù)據(jù)對(duì)分子標(biāo)記的選擇效果進(jìn)行驗(yàn)證。