-棉花育种:优质高产两相得
作者:王方
发布时间:2020-11-19
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-棉花育种:优质高产两相得

张军研究员在棉花田

 对陆海远缘杂交优质种质“鲁原343中渗入的的外源海岛棉优质基因的系统鉴定和利用研究

在前不久举行的山东省农科院首届科技成果拍卖会上,山东棉花研究中心研究员张军拿出了自家的一件“宝贝”——“鲁棉319”参与竞拍。

“‘鲁棉319’是山东省审定的第一个适宜轻简化种植的棉花新品种,非常适合轻简化、机械化种植,为促进山东省乃至黄河流域棉花生产轻简化、机械化提供了品种储备,市场应用前景巨大。”张军向《中国科学报》介绍。

事实上,这仅是张军及其团队诸多成果中的一个。他们历经20余年的不懈努力,从全基因组水平探究了棉花优异纤维品质性状形成的分子机制,建立了传统育种与现代分子育种相结合的棉花优质分子育种体系,育成的优质高产多抗棉花品种已经“飞雪冰冬暖万家”。

目标:棉花纤维品质改良

棉花是世界上重要的天然可再生纺织原料,种植历史悠久。如今,随着人们生活水平的日渐提高,对纺织品的需求不仅仅是保暖御寒,对决定舒适度的纤维品质的追求也不断提升。

“纺织品的舒适度是由纺纱支数决定的,纺纱支数越高,纺织品的舒适度越好。而纺高支纱要求棉纤维长度和强力分别达到30mm和30 cN/tex(纤维断裂比强度计量单位)以上。”张军解释说。

新中国成立以前,我国棉花品种纤维品质较差,1937年全国棉花纤维长度平均为21.6 mm,纤维强力也较低。随着棉花品种改良,棉花单产不断增加,纤维品质也不断提高,但是我国原棉品质还存在很多问题,远远不能满足纺织工业对中高品质原棉的需求。

张军表示,其一,我国棉花纤维长度不能满足纺高支棉纱的需要。高密高支纺织品以轻柔舒适特性为广大消费者所青睐,但生产60支以上的棉纱需要31mm以上长度的棉纤维,如果改用长绒棉会大幅增加成本,所以纺织企业只能选用进口棉。

其二,我国棉花主产区棉纤维的强力偏低,不能满足我国纺织企业生产高档纺织品的需要。我国主产棉区陆地棉的断裂比强度基本都在28cN/tex左右,新疆棉区有的甚至低至24cN/tex,严重制约着我国原棉的可纺性。

“纤维长度30mm和断裂比强度30 cN/tex(即通称的“双30”)以上的优质棉作为纺高档纱的专用棉,在国内市场缺口较大,纺织企业主要依靠进口维持生产。”他说。

如何打破优质棉长期依赖进口的局面,让老百姓既能穿得暖又能穿得舒适?张军和他的研究团队开始了漫长的求索之路。

突破:解析优质纤维形成的分子机制

棉花是一个大家族,其中有两个在世界上广泛种植的异源四倍体栽培种,即陆地棉和海岛棉。陆地棉因产量高、适应性广而被广泛种植,但其纤维品质一般。海岛棉纤维品质优异,但产量较低,仅占全球棉花种植面积的5%。我国也以种植陆地棉为主,新疆有少量海岛棉,又称长绒棉。

将海岛棉基因组中蕴含的优异纤维基因引入产量高、适应性广的陆地棉中,一直是棉花育种工作者努力追求的梦想。

团队成员王芙蓉研究员解释道,“陆海杂交属于远缘杂交,纤维品质很难稳定遗传,而且这些优异组分在导入陆地棉的同时,对产量等重要农艺性状带来了不利影响,即连锁累赘。利用常规育种手段很难实现棉花品质和产量的协同改良。”

利用与优质性状紧密连锁的分子标记辅助选择,让看不见摸不着的DNA可视化,可以大大提高育种效率。可是,面对无数的遗传密码,犹如大海捞针,如何找到与优质性状连锁的分子标记?

王芙蓉、陈煜和张景霞等团队人员首先构建各类遗传群体,通过在棉花全基因组范围内大量筛选标记,定位了纤维品质性状QTL(数量性状位点)。借助棉花基因组研究的最新成果,利用重测序技术开发SNP(单核苷酸多态性)和Indel(插入缺失)标记,精细定位纤维品质主效QTL,找到控制纤维品质性状的关键基因,开发了与优质性状紧密连锁的分子标记。

利用这些分子标记辅助选择,通过与轮回亲本连续回交,将携带的目标主效QTL定位到一个很小的染色体片段上,最大限度打破连锁累赘,形成了遗传背景相同的纤维长度、强力和衣分的单QTL片段置换系。育种评价发现这些主效QTL在不影响产量的前提下,显著提高了纤维长度和强力。

研究成果于2018年申报了3项国家发明专利,其中两项已获授权。“利用Chr.7单QTL片段置换系改良棉花纤维强力的分子育种方法”同时申请了美国、印度和巴基斯坦等3个世界主产棉国的国际专利,于今年7月获得美国专利商标局授权。相关理论研究相继发表在《植物生物技术杂志》等国内外学术期刊上。

实践:培育优质高产品种

纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。团队没有把研究成果藏在实验室里,而是积极将其付诸于育种实践,培育优质高产品种。利用专利技术,将外源优异位点全面引入到陆地棉育种体系中,育成了“鲁棉338”“鲁棉312”“鲁棉392”和“鲁棉377”等系列高产、优质的转基因抗虫棉。

其中,“鲁棉338”于2018年通过山东省审定,同年在河北省和天津市引种成功,并转让给石家庄市民丰种子有限公司、山东银兴种业股份有限公司和山东鲁壹种业科技有限公司开发,成为黄河流域棉区的主栽品种。

“培育并推广适宜生产轻简化、机械化的棉花新品种,大幅度降低管理人工成本成为提高棉花种植效益的最重要环节。”张军表示。2019年,“鲁棉338”进行了机采棉试采,采净率达95%以上,适合作为机采棉品种推广应用。

“鲁棉312”“鲁棉392”和“鲁棉377”等已经获得黄河流域、西北内陆等我国主产棉区的转基因生产应用安全证书,正在参加各级区域试验。

“鲁棉312”“鲁棉392”皮棉单产均超过对照,纤维长度31.5mm以上、纤维断裂比强度33cN/tex以上、马克隆值A级,均达到了优质中长绒棉标准。

张军团队突破棉花优质与高产难以实现同步改良的育种技术瓶颈,创造了系列优异纤维种质,育成了系列高产、优质、多抗转基因抗虫棉,极大地提高了棉花优质育种效率,为实现棉花纤维品质与产量、抗性等多种农艺性状的同步改良提供了有力的理论和技术支撑。

尽管如此,他们并未满足。“我们会继续将稳步提高产量、协同改善品质和抗性作为主攻目标,重点培育适宜于棉花轻简高效生产需求的新品种,为‘三农’服务,为乡村振兴出力。”张军说。



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