王桂峰，王紅梅，魏學(xué)文，趙云雷，陳偉，劉文龍，陳玲，李娟

（1.山東省農(nóng)墾科技發(fā)展中心，山東 濟南 250013；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽 455000；3.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東 臨沂276700；4.青島市黃島區(qū)科學(xué)技術(shù)局，山東 青島266000；5.青島市黃島區(qū)王臺鎮(zhèn)經(jīng)管統(tǒng)計服務(wù)中心，山東 青島266000）

0 引言

棉花是全球最大的天然纖維作物和紡織工業(yè)的主要原料，在整個經(jīng)濟社會發(fā)展中具有舉足輕重的地位和作用。我國是世界最大的棉花生產(chǎn)國（占全球25.5%）和消費國（占全球34.3%），也是最大的紡織品、服裝生產(chǎn)國和出口國[1]。近年來，隨著我國紡織業(yè)的快速發(fā)展，原棉消費量急劇加大，棉紡織原料供需缺口擴大到400萬噸，這一缺口相當(dāng)于世界第二大棉花生產(chǎn)國美國棉花總產(chǎn)的60%[2]。在棉花市場供需方面，一方面國產(chǎn)棉大量積壓， 棉麻公司負(fù)債經(jīng)營，另一方面紡織業(yè)發(fā)展需要大量進口原棉。造成“國棉入庫、洋棉入市”的被動局面，對我國棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展形成極為不利的影響。究其原因， 除與國產(chǎn)棉價格高于進口棉外，與我國棉花品質(zhì)結(jié)構(gòu)和品種結(jié)構(gòu)有著直接關(guān)系。由于我國現(xiàn)有棉花品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、品種類型較單一，在品質(zhì)、抗性等方面難以滿足不同植棉模式對品種的需求，嚴(yán)重制約黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。因此，作者總結(jié)了這種“五位一體”技術(shù)，為同仁們借鑒與參考，旨在解決優(yōu)質(zhì)多抗棉花品種不足的問題。

1 棉花品種的優(yōu)質(zhì)多抗是促進棉花生產(chǎn)發(fā)展的首要需求

20世紀(jì)90年代，為解決棉鈴蟲對棉花生產(chǎn)的危害，美國率先培育出轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉，并于1996年獲準(zhǔn)進行商業(yè)化生產(chǎn)，實現(xiàn)了對棉鈴蟲和紅鈴蟲等鱗翅目害蟲的有效控制，大大降低了廣譜性化學(xué)殺蟲劑的應(yīng)用，提高了棉花單位面積產(chǎn)量和效益，給棉花生產(chǎn)帶來一次巨大的技術(shù)變革。我國于1997年開始引進種植美國轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，并迅速在黃河流域棉區(qū)和長江流域棉區(qū)大面積推廣應(yīng)用，有效緩解了棉鈴蟲對棉花的為害。但當(dāng)時轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種質(zhì)依然匱乏，遺傳基礎(chǔ)狹窄，品種類型單一，同質(zhì)化嚴(yán)重。直接表現(xiàn)是：一方面品種產(chǎn)量和抗性難以滿足不同種植制度和不同生態(tài)區(qū)的要求，特別是近年來在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和糧食安全戰(zhàn)略的大背景下，我國棉花生產(chǎn)不斷向鹽堿地縮居位移，加之老棉區(qū)棉花黃萎病呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢，生產(chǎn)中急需耐鹽和抗病性優(yōu)良的棉花品種；另一方面，棉花品種品質(zhì)又難以滿足紡織業(yè)的多樣化需求，多年來，黃河流域推廣應(yīng)用的棉花品種，纖維長度偏短，強度偏低（比美棉低1～2 cN/tex），缺乏紡60支以上紗的優(yōu)質(zhì)原棉。因此培育優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)和抗性強的棉花品種已成為促進棉花生產(chǎn)發(fā)展的首要需求。

2 黃河流域棉區(qū)優(yōu)質(zhì)多抗棉花品種“五位一體”復(fù)合育種技術(shù)體系的構(gòu)建

針對黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)中，長期存在纖維品質(zhì)不優(yōu)和抗病耐鹽棉花品種缺乏的問題，從21世紀(jì)初開始，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、山東省農(nóng)墾科技發(fā)展中心等單位緊密合作，圍繞棉花優(yōu)質(zhì)抗病耐鹽品種選育深入開展了系統(tǒng)研究，在實踐中，總結(jié)出“五位一體”的復(fù)合育種技術(shù)體系。該育種技術(shù)體系是針對黃河流域棉區(qū)棉花生態(tài)條件和不同棉花耕作制度特點，集“優(yōu)異種質(zhì)發(fā)掘、骨干親本改良、性狀精準(zhǔn)鑒定、生態(tài)穿梭育種、分子標(biāo)記輔選”五位于一體。該技術(shù)創(chuàng)新了黃河流域棉區(qū)棉花品質(zhì)、產(chǎn)量和抗病性的協(xié)同改良技術(shù)途徑。

2.1 優(yōu)異種質(zhì)發(fā)掘

廣泛收集國內(nèi)外種質(zhì)資源，對其中不同來源、有代表性的優(yōu)異種質(zhì)材料進行遺傳多樣性分析，對抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等重要性狀進行了分析鑒定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)美國來源的種質(zhì)材料的遺傳多樣性要高于中國來源的材料，但是中國陸地棉種質(zhì)具有更高的遺傳變異范圍，并且在美國材料與中國材料間存在最大的遺傳距離，從而為陸地棉品種的遺傳改良指明了方向[3]。進一步研究表明，我國現(xiàn)有陸地棉品種在抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀上存在廣泛的變異，其中，抗黃萎病相對病指變化范圍為10.10～76.6，在0.3%濃度鹽脅迫下的出苗率變化范圍為0.47%～93.98%，在15%PEG6000旱脅迫下的隸屬函數(shù)值變化范圍在0～1。通過遺傳多樣性分析和不同農(nóng)藝性狀鑒定，篩選到具有特殊利用價值的不同類型棉花種質(zhì)和中間材料239份，包括高產(chǎn)、抗病種質(zhì)62份，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因抗蟲種質(zhì)83份，耐鹽材料10份，抗旱材料46份。這些種質(zhì)材料的發(fā)掘為新品種培育奠定了基礎(chǔ)。

2.2 性狀精準(zhǔn)鑒定

對發(fā)掘到的優(yōu)異種質(zhì)資源，采用分布于棉花全基因組的SSR分子標(biāo)記對抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀進行關(guān)聯(lián)分析，共獲得54個與抗黃萎病性狀顯著相關(guān)、8個與耐鹽性狀顯著相關(guān)、15個與抗旱性顯著相關(guān)、10個與鈴重顯著相關(guān)、8個與衣分顯著相關(guān)的SSR分子標(biāo)記；檢測到衣分與耐鹽性顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料1個，抗病性和抗旱性顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料2個，鈴重、抗旱性和耐鹽性同時顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料1個，鈴重、衣分和耐鹽性同時顯著相關(guān)的分子標(biāo)記材料1個[4-7]。同時，通過配制不同抗黃萎病品種與感病品種的雙列雜交試驗，對雜交后代進行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)了陸地棉品種對黃萎病的抗性屬微效多基因控制的數(shù)量性狀，以加性效應(yīng)為主，顯性效應(yīng)為次的遺傳規(guī)律，為棉花抗黃萎病性狀相關(guān)基因/QTL的發(fā)掘奠定了理論基礎(chǔ)?；诿藁S萎病抗性遺傳規(guī)律，對陸地棉優(yōu)異種質(zhì)群體開展棉花抗黃萎病性狀的全基因關(guān)聯(lián)分析研究，挖掘到陸地棉優(yōu)異種質(zhì)材料中蘊藏的抗黃萎病基因相關(guān)SSR標(biāo)記位點及其優(yōu)勢等位基因40個。在此基礎(chǔ)上，提出了基于優(yōu)勢等位基因的棉花抗黃萎病性狀的分子鑒定理論，建立了抗黃萎病分子檢測技術(shù)，實現(xiàn)了抗病性的全生育期實時檢測，為抗黃萎病育種開創(chuàng)了新途徑[8]。

2.3 骨干親本創(chuàng)制

通過分子標(biāo)記技術(shù)對發(fā)掘到的種質(zhì)材料進行篩選，獲得含有的抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀的優(yōu)勢等位基因位點及其分子標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上提出了產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性的協(xié)調(diào)改良策略，即在保留材料優(yōu)質(zhì)性狀的基礎(chǔ)上，通過雜交、回交技術(shù)改進材料產(chǎn)量性狀，進一步利用復(fù)合雜交技術(shù)與分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)快速聚合抗病性、耐鹽性、抗旱性等抗逆性狀，實現(xiàn)對豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性狀的同步改良。創(chuàng)制出綜合性狀優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)9901、墾721，抗病種質(zhì)墾9605，耐鹽種質(zhì)墾901等骨干親本材料。其中，優(yōu)質(zhì)親本材料9901，纖維長度32.2 mm，比強度32.3 cN/tex，馬克隆值4.2，解決了現(xiàn)有棉花品種纖維品質(zhì)類型單一，纖維強度偏低的問題；優(yōu)質(zhì)骨干親本墾721，纖維長度35.8 mm，比強度33.6 cN/tex，馬克隆值3.9；抗病種質(zhì)墾9605枯萎病指2.1，黃萎病指4.3；耐鹽種質(zhì)墾901在0.5%濃度的鹽脅迫下正常出苗。

2.4 生態(tài)穿梭育種

在骨干親本創(chuàng)制和新品種培育過程中，將骨干親本材料分別與抗病、耐鹽材料進行雜交、回交及復(fù)合雜交，對雜交后代分別進行大田重病地、山東東營濱海鹽堿地的抗逆鑒定，輔之以抗病性、耐鹽性的分子檢測和分子標(biāo)記輔助選擇，并強化對產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的選擇，通過南繁北育、不同生態(tài)區(qū)穿梭選育提高材料適應(yīng)性，最終實現(xiàn)產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等性狀的同步提高。

2.5 分子標(biāo)記輔選

利用發(fā)掘的棉花抗黃萎病、耐鹽、抗旱、鈴重、衣分等性狀相關(guān)的分子標(biāo)記對骨干親本材料9901、中棉所41、中棉所35、sGK9708、墾721、墾901、墾9605、墾655等進行分子標(biāo)記篩選，獲得上述材料中含有的抗病性、耐鹽性、抗旱性、鈴重、衣分等性狀的優(yōu)勢等位基因位點及其分子標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上，通過親本雜交、回交對親本材料中的目標(biāo)性狀優(yōu)勢等位基因位點進行了連續(xù)的分子標(biāo)記檢測和選擇及分子標(biāo)記輔助選擇，從而實現(xiàn)了在新品種培育過程中對目標(biāo)性狀基因型的直接選擇[9]。

3 “五位一體”復(fù)合育種技術(shù)體系的效果

基于“五位一體”復(fù)合育種技術(shù)，先后育成了抗蟲雜交棉中棉所76（國審棉2009011），抗蟲常規(guī)棉魯津棉36號（津?qū)徝?009003號）、sGK中3017（豫審棉2014002）、魯墾棉37號（陜審棉2010001號）、魯墾棉33號（魯農(nóng)審2009020號）、仁和39號（魯農(nóng)審2009023號）共6個不同類型的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種，分別通過國家、天津、河南、陜西和山東省審定（見表1）。

基于共同育種方法，選育的6個品種，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗的協(xié)同改良，主要特點如下。

3.1 纖維品質(zhì)優(yōu)良

6個品種纖維品質(zhì)情況見表2。纖維主體長度28.5～31.6 mm，比強度29.1～30.8 cN/Tex，馬克隆值4.7～5.0，各項纖維指標(biāo)搭配較好，符合紡織工業(yè)需要。其中，中棉所76纖維主體平均長度30.8 mm，比強度31.6 cN/Tex，馬克隆值4.4，伸長率6.6%，反射率72.6%，整齊度指數(shù)85.2%，黃度8.5，紡紗均勻性指數(shù)155，能紡80支以上的高支紗，纖維色澤潔白有光澤，成熟度好，不僅棉紡企業(yè)迫切需要，也因棉花成品外觀好，深受棉農(nóng)的喜愛，更符合目前機采棉對棉花品種纖維品質(zhì)的要求；魯津棉36號纖維主體平均長度30.8 mm，比強度31.6 cN/Tex，馬克隆值4.8，伸長率6.7%，反射率81.9%，整齊度指數(shù)85.6%，紡紗均勻性指數(shù)155，均達到優(yōu)質(zhì)棉的指標(biāo)要求。

表1 6個棉花新品種系譜和審定情況表

表2 中棉所76號和魯墾棉33號等品種的纖維品質(zhì)情況表

表3 6個棉花品種抗病性表現(xiàn)型

3.2 綜合抗性好

6個棉花品種抗病性表現(xiàn)見表3，枯萎病指數(shù)2.5～10.4，均達到高抗水平；中棉所76、魯墾棉33號、仁和39號、魯津棉36號、sGK中3017黃萎病指數(shù)分別為32.1、22.1、20.1、20.4、21.6屬于耐黃萎病品種；魯墾棉37號黃萎病指數(shù)為13.4，達到抗性水平；項目組通過分子標(biāo)記篩選，檢測到魯墾棉37號品種中含有抗黃萎病優(yōu)勢等位基因位點NAU2627-460、NAU2954-350、NAU3935-290 、NAU5120-550、NAU5233-380、NAU3592-180 、NAU3563-180、NAU5463-190、NAU3935-300、NAU5120-500、NAU5463-190。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所對靶標(biāo)害蟲抗性效率檢測結(jié)果表明，6個棉花品種對棉鈴蟲的抗性均達到了高抗水平。另外，這6個棉花品種均具有較好的抗逆和適應(yīng)性能，既適合純作，也適合間套作，既適合旱薄地種植，也適合高肥水地塊種植。其中，仁和39號耐鹽特性突出，項目組在東營山東省棉花原原種場，對5個棉花品種（耐鹽品種中棉所44、鹽敏感品種泗棉3號、鹽堿地主栽品種魯棉研28號和中棉所49、耐鹽品種仁和39號）進行耐鹽篩選試驗，測定5個品種3個鹽脅迫水平下的出苗率，3個生育期的葉綠素含量、光合速率、鈉鉀離子含量以及產(chǎn)量。結(jié)果表明：仁和39號在高鹽濃度200 mmol/L NaCl溶液下，其發(fā)芽率(47%)和發(fā)芽勢(29%)均高于耐鹽品種中棉所44(35%和22%）；在大田重度鹽堿地（土壤含鹽量0.4%～0.5%）條件下，其出苗率為59.5%，高于中棉所44（57.2%），其皮棉產(chǎn)量為910 kg/hm2比中棉所44增產(chǎn)5.7%，非常適宜鹽堿地種植[10]。項目組通過分子標(biāo)記篩選，檢測到仁和39號含有耐鹽標(biāo)記NAU2580-2、TMB1296-1、NAU3100-1。

表4 6個棉花新品種在區(qū)域試驗中的產(chǎn)量表現(xiàn)

3.3 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)

6個品種均具有較好的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性，中棉所76于2005～2007年參加黃河流域棉區(qū)中熟雜交春棉區(qū)域試驗，前兩年皮棉總產(chǎn)量分別為1411.5 kg/hm2和1395.0 kg/hm2，分別比對照中棉所41和魯棉研15號增產(chǎn)12.4%和5.3%；2007年生產(chǎn)試驗，皮棉總產(chǎn)量為1302.0 kg/hm2，與魯棉研15號相當(dāng)。sGK中3017于 2011～2013年參加河南省春棉區(qū)域試驗，三年的皮棉總產(chǎn)量分別為1521.0 kg/hm2、1437.0kg/hm2和1575.0 kg/hm2，分別比對照魯棉研28號增產(chǎn)6.3%、6.2%和9.8%。魯墾棉33號于2006～2008年在山東省參加棉花品種區(qū)域試驗，2006年和2007年皮棉總產(chǎn)量分別為1624.5 kg/hm2和1465.5 kg/hm2，分別比對照DP99B和魯棉研21號增產(chǎn)15.4%、3.2%；2008年在生產(chǎn)試驗中的皮棉總產(chǎn)量為1750.5 kg/hm2，比魯棉研21號增產(chǎn)13.8%。仁和39號于2006～2008年在山東省參加棉花品種區(qū)域試驗，皮棉產(chǎn)量1431.0～ 1680.3 kg/hm2，2006年 比 DP99B增產(chǎn)7.3%，2007年和2008年分別比對照魯棉研21號增產(chǎn)7.8%和10.9%。魯津棉36號于2008～2009年在天津市參加棉花品種區(qū)域試驗，皮棉產(chǎn)量1218.0～1966.5 kg/hm2，比對照魯棉研21號增產(chǎn)6.17%～12.48%。魯墾棉37號于2008～2009年在陜西省參加棉花品種區(qū)域試驗，其皮棉總產(chǎn)量為1350.0～1425.0 kg/hm2，比對照中棉所41號增產(chǎn)6.1%～7.9%。綜合來看，6個棉花品種不僅在區(qū)域試驗中豐產(chǎn)性好，而且年際間波動較小，穩(wěn)產(chǎn)性也好。

在生產(chǎn)示范和規(guī)?；瘧?yīng)用中，這些品種均表現(xiàn)適應(yīng)性廣，增產(chǎn)潛力大，穩(wěn)產(chǎn)性好。魯墾棉33號（2010～2011年）在黃河三角洲植棉區(qū)多點示范，平均皮棉產(chǎn)量為1891.5 kg/hm2，較對照魯棉研28號增產(chǎn)10.3%[10]。2011年項目組實施山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項，在山東的三個植棉區(qū)設(shè)立魯墾棉33號、仁和39號示范點6個，經(jīng)專家測產(chǎn)驗收，魯墾棉33號皮棉產(chǎn)量平均為1855.5 kg/hm2，較對照魯棉研28號增產(chǎn)6.77%；仁和39號皮棉產(chǎn)量平均為1891.5 kg/hm2，較對照魯棉研28號增產(chǎn)8.83%。魯墾棉37號于2008年在渭南市的大荔縣安仁鎮(zhèn)進行新品種展示，平均皮棉產(chǎn)量為1687.5 kg/hm2，比對照中棉所41增產(chǎn)23.1%，2009年在蒲城縣坡頭鎮(zhèn)示范，平均皮棉產(chǎn)量為1831.5 kg/hm2，較對照中棉所41增產(chǎn)26.7%；魯津棉36號于2009年在天津?qū)幒涌h示范種植，平均皮棉產(chǎn)量為1830.0 kg/hm2，比對照魯棉研21號增產(chǎn)16.0%。