李博，張夢，張學(xué)賢，郭立平，戚廷香，唐會妮，王瑞杰，王海林，喬秀琴，吳建勇，邢朝柱

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物育種與綜合利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽 455000）

棉花作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，是紡織工業(yè)的主要原料，在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1]。同其他作物一樣， 棉花具有明顯的雜種優(yōu)勢，強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合的F1可比常規(guī)棉品種增產(chǎn)15%左右[2-3]。 目前，生產(chǎn)上大面積推廣種植的棉花雜交種大多數(shù)是由人工去雄授粉獲得。 近年來，由于勞動力成本不斷上漲，生產(chǎn)上推廣人工去雄制備雜交種難以為繼，給棉花雜種優(yōu)勢利用研究帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[4]。

細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility,CMS）是一種經(jīng)濟(jì)且有效的授粉控制系統(tǒng)。 利用CMS 雜交制種技術(shù)不但能夠省去人工去雄成本，而且可有效提高大面積制種的純度。 目前該技術(shù)已經(jīng)在水稻、玉米、棉花、油菜、高粱、辣椒等作物中取得較大的進(jìn)步[5-6]。 棉花CMS 系主要有哈克尼西棉（Gossypium harknessii）[7-9]、三裂棉（G.trilobum）[10]、陸地棉（G.hirsutum）[11]、海島棉（G.barbadense）[12]和異常棉（G.anomalum）[13]不育胞質(zhì)等多種類型。 目前，只有哈克尼西棉、陸地棉和三裂棉的胞質(zhì)不育系實(shí)現(xiàn)了不育系、 保持系和恢復(fù)系 “三系” 配套， 其中哈克尼西棉不育胞質(zhì)（CMS-D2）是生產(chǎn)上推廣種植的棉花“三系”雜交種的主要胞質(zhì)來源[14]。隨著棉花不育系、保持系和恢復(fù)系的成功創(chuàng)制、回交改良和“三系”配套，我國在胞質(zhì)不育“三系”雜交棉研究與育種應(yīng)用方面均走在了世界前列[15]。近年來，國內(nèi)棉花育種家已成功培育出一系列強(qiáng)優(yōu)勢的“三系”雜交棉品種，如國審棉銀棉2 號[16]、邯雜98-1[17]、邯雜301[18]、中棉所99[19]、魯雜2138[20]以及省審棉浙雜2 號[21]、中棉所83[22]和運(yùn)B259[23]等。然而，由于棉花CMS 恢復(fù)源狹窄以及不育細(xì)胞質(zhì)對F1的產(chǎn)量性狀等具有一定的負(fù)效應(yīng)等問題，“三系” 雜種棉在我國主產(chǎn)棉區(qū)推廣應(yīng)用進(jìn)展緩慢。 此外，CMS-D2 恢復(fù)系的花藥發(fā)育易受外界環(huán)境影響[1,24-26]。如夏季持續(xù)高溫脅迫會引起棉花授粉受精能力下降、蕾鈴脫落，最終導(dǎo)致產(chǎn)量銳減，這大大限制了“三系”雜交種在生產(chǎn)上的大面積推廣應(yīng)用。因此，本研究通過系統(tǒng)分析棉花雄性不育細(xì)胞質(zhì)對主要性狀的影響及其負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的分子基礎(chǔ)， 探討克服甚至消除棉花雄性不育細(xì)胞質(zhì)負(fù)效應(yīng)的潛在育種對策，從而為選育優(yōu)良的棉花細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、恢復(fù)系和強(qiáng)優(yōu)勢的“三系”雜交種提供理論依據(jù)。

1 棉花雄性不育細(xì)胞質(zhì)對主要性狀的影響

1.1 農(nóng)藝性狀

棉花苗期主要以營養(yǎng)生長為主，進(jìn)入蕾期后處于營養(yǎng)生長和生殖生長的并進(jìn)時期。 有學(xué)者報道，CMS-D2 不育胞質(zhì)對棉花苗期生長及生物量積累無明顯影響[27]。 趙存鵬等[28]也認(rèn)為陸地棉雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉花株高無顯著影響，但使生育期延長、果枝數(shù)增加。 此外，華金平等[29]以具有8個不同棉種細(xì)胞質(zhì)的中棉所7 號（陸地棉）同核系為研究材料發(fā)現(xiàn)，與陸地棉胞質(zhì)系相比，哈克尼西棉胞質(zhì)系花蕾瘦小，而異常棉胞質(zhì)系和亞洲棉胞質(zhì)系的花蕾則表現(xiàn)為尖削、瘦長。王學(xué)德等[30]研究表明，與可育胞質(zhì)雜交組合的F1相比，不育胞質(zhì)雜交組合F1的單?；ㄋ幤骄w積變小，百粒花藥的干物質(zhì)質(zhì)量降低。 綜合來看，雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉花農(nóng)藝性狀無明顯的負(fù)效應(yīng)，但異源細(xì)胞質(zhì)對陸地棉花器官的形態(tài)具有一定影響[31]。

1.2 葉片光合特性

光合作用對植物生長發(fā)育和作物產(chǎn)量形成至關(guān)重要，目前關(guān)于雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉花光合特性影響的研究報道較少。 左志丹等[27]在河南安陽和江西九江試驗(yàn)點(diǎn)系統(tǒng)研究了CMS-D2 不育胞質(zhì)對棉花全生育期主莖功能葉光合特性的影響，發(fā)現(xiàn)在苗期不育胞質(zhì)能顯著促進(jìn)棉花的光合作用；進(jìn)入花鈴期以后，不育胞質(zhì)對光合作用的負(fù)效應(yīng)開始顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為不育胞質(zhì)恢復(fù)系在花鈴期和吐絮期的葉片凈光合速率顯著降低，這可能間接影響棉花產(chǎn)量形成。 趙海燕[32]認(rèn)為在光合特性方面，從蕾期到吐絮期，棉花CMS 系亞棉A 的葉片凈光合速率均顯著低于相應(yīng)的保持系亞棉B；與保持系相比，不育系葉片的氣孔導(dǎo)度在蕾期和吐絮期均明顯較高，而在開花期和結(jié)鈴期較低；除蕾期外，在其他生育時期不育系葉片的蒸騰速率和胞間CO2濃度均顯著低于保持系。這些差異可能是由于該不育系的不育細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核存在互作，使與光合調(diào)控相關(guān)基因的時空表達(dá)及其功能發(fā)生了一定變化。

1.3 花藥發(fā)育狀況

棉花CMS 系的育性恢復(fù)能力直接關(guān)系著“三系”雜交棉收獲期的成鈴數(shù)和最終產(chǎn)量。 已有大量研究報道，棉花花藥發(fā)育和花粉育性易受夏季高溫脅迫影響，主要表現(xiàn)為花藥不開裂、花粉敗育以及萌發(fā)活力降低[1,26-27,33-34]。 棉花CMS-D2不育胞質(zhì)恢復(fù)系和“三系”雜交種的花藥發(fā)育過程不僅受不育細(xì)胞質(zhì)、恢復(fù)基因和育性增強(qiáng)基因的調(diào)控[35-36]，而且受細(xì)胞核遺傳背景和外界環(huán)境條件（如夏季高溫）影響[1,24-26]。 前人對此也開展了諸多研究。 例如，王學(xué)德等[30]發(fā)現(xiàn)CMS-D2 不育細(xì)胞質(zhì)對不育系與恢復(fù)系雜交F1的育性具有一定程度的負(fù)效應(yīng)，主要是引起雄配子敗育和降低雌配子育性[37]。 張學(xué)賢等[38]選用3 個CMS-D2 不育胞質(zhì)型恢復(fù)系及其同質(zhì)異核的3 個可育胞質(zhì)型恢復(fù)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在高溫脅迫下不育胞質(zhì)型恢復(fù)系的多粉花率和籽棉產(chǎn)量均顯著低于可育胞質(zhì)型恢復(fù)系，并且指出籽棉產(chǎn)量與多粉花率直接相關(guān)。 另有研究報道，在高溫脅迫下CMSD2 不育胞質(zhì)恢復(fù)系的多粉花率、 可育花粉率和花粉體外萌發(fā)率均極顯著低于陸地棉可育胞質(zhì)恢復(fù)系，尤其在長江流域棉區(qū)表現(xiàn)更為明顯[27]，這說明夏季溫度越高，不育胞質(zhì)對盛花期花藥發(fā)育的負(fù)效應(yīng)更加凸顯[24-25,38]。此外，在高溫脅迫下，三裂棉CMS（CMS-D8）恢復(fù)系花粉育性比孢子體不育的CMS-D2 恢復(fù)系表現(xiàn)更為穩(wěn)定[1,26,39-40]，這說明棉花CMS-D8 胞質(zhì)雜種F1的花藥發(fā)育過程可能具有更好的高溫耐受性。

1.4 產(chǎn)量性狀

早期國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的研究結(jié)果分歧較大[41-42]，但后續(xù)大量研究報道表明， 不育胞質(zhì)對籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量和衣分均有顯著的負(fù)效應(yīng)[19,27,30,46-47]。利用哈克尼西棉不育系及恢復(fù)系配制的雜種F1平均減產(chǎn)5%～8%[44]。 王江林等[46]的研究結(jié)果表明，三裂棉（D8）不育胞質(zhì)對籽棉和皮棉產(chǎn)量具有極顯著的負(fù)效應(yīng)， 同時對衣分也表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)不育胞質(zhì)對棉花單株鈴數(shù)無明顯不利影響[28,46]，但是王學(xué)德等[30]、左志丹等[27]和周曙霞等[48]認(rèn)為不育胞質(zhì)對棉花單株鈴數(shù)具有顯著的負(fù)效應(yīng)。 王江林等[46]認(rèn)為D8 不育胞質(zhì)對棉花的鈴重表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，但另有研究發(fā)現(xiàn)不育胞質(zhì)對棉花鈴重的影響并不顯著[27-28]。 這些差異可能是由于不同棉種CMS 的胞質(zhì)效應(yīng)對產(chǎn)量性狀的影響不盡相同，并且這種胞質(zhì)效應(yīng)還受細(xì)胞核遺傳背景和外界環(huán)境條件（如溫度）的影響[24-26]。

1.5 纖維品質(zhì)性狀

近年來，研究人員就雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉花纖維品質(zhì)性狀的影響進(jìn)行了大量研究[27-28,46,48-49]。趙存鵬等[28]以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉常規(guī)品種冀2658 及其同核異質(zhì)不育系冀2658A 為母本、以6 個恢復(fù)系為父本，配制了12 個雜交組合，結(jié)果表明陸地棉雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉纖維的斷裂比強(qiáng)度及斷裂伸長率具有顯著負(fù)效應(yīng)，而對纖維上半部平均長度、 長度整齊度指數(shù)和馬克隆值無顯著影響。周曙霞等[48]以陸地棉保持系和哈克尼西棉胞質(zhì)不育系為親本配制42 個雜交組合， 研究表明哈克尼西棉的胞質(zhì)效應(yīng)廣泛存在，主要對雜交F1棉纖維的2.5%跨距長度、馬克隆值有顯著負(fù)效應(yīng)。 另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)CMS-D2 不育胞質(zhì)對雜種F1的纖維長度具有一定的正效應(yīng)[49]。 左志丹等[27]為排除細(xì)胞核背景影響，選用2 套同核異質(zhì)的哈克尼西棉恢復(fù)基因近等基因系為材料，發(fā)現(xiàn)CMS-D2 不育胞質(zhì)總體上對棉花纖維品質(zhì)性狀無明顯的不利影響。 此外，王江林等[46]認(rèn)為三裂棉D(zhuǎn)8 不育胞質(zhì)對纖維上半部平均長度和長度整齊度指數(shù)無顯著影響，但可顯著提高纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長率，并降低馬克隆值，說明三裂棉不育胞質(zhì)對棉纖維品質(zhì)性狀無明顯不利影響，還可在一定程度上改善纖維細(xì)度和強(qiáng)度。

1.6 抗逆性

相比親本， 棉花雜交種具有更強(qiáng)的抗逆性，但目前關(guān)于雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉花抗逆性影響的研究報道較少。 趙存鵬等[28]的研究結(jié)果表明陸地棉雄性不育細(xì)胞質(zhì)對黃萎病發(fā)生具有一定的抑制作用，但對枯萎病的發(fā)生無顯著影響。 另有研究報道， 與CMS-D2 不育胞質(zhì)型恢復(fù)系相比，陸地棉正常胞質(zhì)型恢復(fù)系的花藥發(fā)育具有更強(qiáng)的耐高溫性能[27,38]。

2 棉花不育胞質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生的分子基礎(chǔ)

2.1 生理生化變化

正常的生理生化過程是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。 目前關(guān)于棉花雄性不育胞質(zhì)對植株生理生化指標(biāo)的影響已有大量研究[28,32,50-51]。 例如，趙存鵬等[28]利用同核異質(zhì)的F1探究冀2658A 雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉籽粗蛋白和粗脂肪含量的影響，結(jié)果表明冀2658A 雄性不育細(xì)胞質(zhì)對棉籽粗脂肪含量有顯著負(fù)效應(yīng)，而對棉籽粗蛋白含量無顯著影響。黃晉玲[50]對與線粒體有關(guān)的過氧化物酶、細(xì)胞色素氧化酶、超氧化物歧化酶和琥珀酸脫氫酶的活性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晉A 不育系在花粉發(fā)育各個時期的酶活性與其保持系相比，均明顯降低，這說明酶活性變化可能與雄性不育發(fā)生有關(guān)。馮義軍等[51]的研究結(jié)果表明，與同核異質(zhì)的F1材料相比，含有哈克尼西棉不育胞質(zhì)的F1在開花期葉片的葉綠素含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、淀粉含量以及光合強(qiáng)度均顯著升高，而可溶性糖含量和呼吸強(qiáng)度顯著降低，這說明含有CMS-D2 不育胞質(zhì)的F1具有較高的光合強(qiáng)度和較低的呼吸強(qiáng)度，從理論上來說有利于光合產(chǎn)物的積累。 此外，含有哈克尼西棉不育胞質(zhì)的F1在開花期葉片中的淀粉酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性均顯著低于其同核異質(zhì)F1材料，但多酚氧化酶活性顯著高于其同核異質(zhì)F1材料。王學(xué)德[52]發(fā)現(xiàn)從造孢細(xì)胞增殖期至花粉成熟期，不育花藥中的淀粉和可溶性糖含量未發(fā)生明顯變化，與保持系的可育花藥中的淀粉和可溶性糖含量的變化趨勢明顯不同。 此外，解海巖等[53]發(fā)現(xiàn)保持系、恢復(fù)系和雜種F1的可育花藥的內(nèi)源激素含量無顯著差異；與可育花藥相比，不育花藥中吲哚乙酸、赤霉素和玉米素核苷的含量均降低，而脫落酸含量升高，這種差異在花粉母細(xì)胞敗育時期達(dá)到最大，說明花藥中內(nèi)源植物激素含量異常與雄性不育密切相關(guān)。 但目前關(guān)于植物激素如何精確調(diào)控棉花雄性不育發(fā)生的具體機(jī)制仍知之甚少。

2.2 轉(zhuǎn)錄和代謝水平的變化

基于CMS 的雜交后代通常比常規(guī)雜交種表現(xiàn)出更明顯的細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)，“三系”雜交種產(chǎn)量形成主要取決于作物CMS 育性恢復(fù)能力的強(qiáng)弱。近年來，關(guān)于不育胞質(zhì)在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和代謝等水平上如何影響花藥發(fā)育已有一些研究報道[54-56]。 在大豆中， 糖信號- 光敏色素互作因子（phytochrome interaction factor,PIF）-生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可能是高溫脅迫下導(dǎo)致不育胞質(zhì)雜種F1雄性育性不穩(wěn)定的潛在原因。 此外，GmHSFA2作為一個正調(diào)節(jié)因子，可能直接參與高溫脅迫下大豆CMS 雜種F1花粉育性保護(hù)機(jī)制的激活[56]。Ding 等[55]通過小RNA 和轉(zhuǎn)錄組測序分析發(fā)現(xiàn)，在大豆中21 個差異表達(dá)的微小RNA（microRNA,miRNA）和15 個差異表達(dá)的靶基因之間存在負(fù)調(diào)控關(guān)系，如gma-miR397a/ 漆酶2、gma-miR399a/無機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1-4 和gma-miR4413a/PPR蛋白基因可能在高溫脅迫下參與調(diào)控大豆不育胞質(zhì)雜種F1的雄性育性穩(wěn)定性。 研究發(fā)現(xiàn)gmamiR156b 負(fù)調(diào)控其靶基因GmSPL2b的表達(dá)，并且gma-miR156b 過表達(dá)擬南芥在高溫脅迫下表現(xiàn)為雄性不育[57]。 近期中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的專家團(tuán)隊通過對保持系NB、 同核異質(zhì)近等基因恢復(fù)系NH 和SH 在河南安陽和江西九江環(huán)境下的成熟花粉進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)CMS-D2 不育胞質(zhì)對花粉育性的負(fù)效應(yīng)主要是由于質(zhì)核互作效應(yīng)誘導(dǎo)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子如WRKY22、WRKY53和ARF18等的上調(diào)表達(dá)，使脂質(zhì)代謝特別是不飽和脂肪酸的代謝平衡被破壞，引起茉莉酸含量降低，最終導(dǎo)致花粉育性下降，但具體的調(diào)控機(jī)制尚不清楚，有待進(jìn)一步深入研究。 同時，在CMS-D2 不育胞質(zhì)存在的情況下，細(xì)胞質(zhì)- 細(xì)胞核的相互作用產(chǎn)生了大量的黃酮類化合物，可能參與花粉育性恢復(fù)過程[54]。

3 克服棉花不育胞質(zhì)負(fù)效應(yīng)的潛在途徑

棉花不育胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)主要集中在花藥發(fā)育和產(chǎn)量等性狀上， 尤其是在高溫脅迫下棉花CMS 育性恢復(fù)穩(wěn)定性直接決定最終的成鈴數(shù)和產(chǎn)量[27]。 目前生產(chǎn)上推廣利用棉花CMS-D2 胞質(zhì)不育“三系”雜交種F1的主要限制因素是由于其花粉育性較差（總花粉量偏少，可育花粉率和花粉萌發(fā)活力偏低），進(jìn)而影響棉花雙受精過程，引起結(jié)鈴率低、不孕籽率高，最終表現(xiàn)為單株鈴數(shù)減少、鈴重降低，導(dǎo)致籽棉產(chǎn)量下降，這種現(xiàn)象在夏季溫度更高的長江流域棉區(qū)表現(xiàn)更為明顯[25-27]。因此，明確不育胞質(zhì)效應(yīng)及其影響因素，可為棉花“三系”雜交種的選育與改良奠定重要理論基礎(chǔ)。 對此，可以采取常規(guī)育種與生物育種相結(jié)合的方法來選育和改良親本（不育系和恢復(fù)系），輔助一定的栽培技術(shù)措施緩解高溫脅迫下不育胞質(zhì)對雜交種花藥發(fā)育的負(fù)效應(yīng)，并加強(qiáng)棉花新型配子體胞質(zhì)不育類型CMS-D8 相關(guān)的基礎(chǔ)研究及育種價值評估等，從而推動“三系”簡化制種技術(shù)在我國雜交棉生產(chǎn)中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3.1 選擇適宜的生態(tài)區(qū)推廣種植“三系”雜交種

已有研究報道，棉花CMS-D2 不育胞質(zhì)對產(chǎn)量等性狀存在一定的負(fù)效應(yīng)，在高溫脅迫下表現(xiàn)更為明顯[27]。具體來說，CMS-D2 胞質(zhì)負(fù)效應(yīng)在夏季溫度相對較低的黃河流域棉區(qū)表現(xiàn)較弱，但長江流域棉區(qū)盛花期極端高溫會引起不育胞質(zhì)恢復(fù)系和“三系”雜交種的花藥不開裂、總花粉量減少和花粉育性降低，具體表現(xiàn)為授粉受精能力下降、棉鈴結(jié)實(shí)率降低，最終直接導(dǎo)致棉花產(chǎn)量銳減[25-26]。 因此，可在不同生態(tài)環(huán)境下對“三系”親本和特定雜交組合進(jìn)行系統(tǒng)育種評價，在適宜的生態(tài)區(qū)篩選出一些較人工去雄授粉雜交種具有增產(chǎn)潛力的“苗頭”雜交組合[15]。近年來，國內(nèi)育種家已陸續(xù)培育出了一系列適于黃河流域棉區(qū)種植綜合性狀表現(xiàn)較好的國審 “三系” 雜交棉品種[18-20]，但適于長江流域棉區(qū)推廣種植的“三系”雜交種的選育尚比較困難。

3.2 通過置換細(xì)胞核遺傳背景改良恢復(fù)系

不育胞質(zhì)效應(yīng)與核基因型密切相關(guān)，相同胞質(zhì)型與不同核基因型結(jié)合，對棉花同一性狀的遺傳效應(yīng)可能不盡相同[15,37]。 利用遠(yuǎn)緣雜交和回交等手段， 目前已獲得了恢復(fù)基因分別來自三裂棉、異常棉和瑟伯氏棉（G.thurberi）的恢復(fù)系，并從海島棉品種Pima S-4 中發(fā)現(xiàn)了育性增強(qiáng)基因E[35]。 因此，可通過有性雜交方法將多個恢復(fù)基因Rf和海島棉育性增強(qiáng)基因E聚合到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗蟲棉品種（系）中，從而培育出對多種胞質(zhì)不育類型均具有強(qiáng)恢復(fù)力的新型恢復(fù)系[58]。此外，利用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所歷經(jīng)多年研究成功建立的“三系” 分子標(biāo)記輔助選擇（marker-assisted selection,MAS）育種體系對不育基因和恢復(fù)基因進(jìn)行跟蹤[7,9,39-40,58,60]，引入耐高溫等優(yōu)異棉花種質(zhì)資源對“三系”雜交種雙親（尤其是恢復(fù)系）的細(xì)胞核遺傳背景進(jìn)行回交改良和多年多環(huán)境交叉選擇。 通過不育系與恢復(fù)系的廣泛測交，盡量減少甚至消除不育胞質(zhì)對“三系”雜交組合主要經(jīng)濟(jì)性狀的負(fù)面影響，最終選育出適于我國主產(chǎn)棉區(qū)推廣種植的“三系”雜交種是切實(shí)可行的[15]。

3.3 通過細(xì)胞質(zhì)置換降低不育胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)

在棉花中，除了生產(chǎn)上推廣種植的CMS-D2胞質(zhì)不育“三系”雜交種外，還有陸地棉[11]（通過種間雜交獲得）、海島棉（利用外源基因?qū)耄12]以及三裂棉[10]和異常棉[13]（通過遠(yuǎn)緣雜交獲得）等多種胞質(zhì)不育類型被成功創(chuàng)制。 其中通過陸地棉與海島棉種間雜交獲得的陸地棉胞質(zhì)不育系已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“三系”配套[61]和雜交棉品種審定，如國審棉銀棉2 號[16]、邯雜98-1[17]和邯雜301[18]。此外，趙存鵬等[28]的研究也發(fā)現(xiàn)陸地棉不育細(xì)胞質(zhì)對雜種F1的單株鈴數(shù)和鈴重等產(chǎn)量性狀無顯著影響。 因此，以陸地棉胞質(zhì)不育系為母本、以優(yōu)良CMS-D2保持系為父本，利用有性雜交和多代回交方法將對應(yīng)CMS-D2 不育系的細(xì)胞質(zhì)替換為陸地棉不育胞質(zhì)類型， 并利用MAS 育種技術(shù)追蹤不育基因和改良不育系，也是降低CMS-D2 不育胞質(zhì)負(fù)效應(yīng)的潛在有效途徑。

3.4 利用細(xì)胞工程育種技術(shù)定向增強(qiáng)“三系”親本的耐熱性

蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，熱休克蛋白70-17（heat shock protein 70-17,HSP70-17）和結(jié)合蛋白5（binding protein 5,BiP5）通過減少花藥中活性氧的積累提高高溫脅迫下棉花雄性育性[62]。 在CMS-D2 胞質(zhì)存在的情況下，質(zhì)核互作效應(yīng)可能增加參與育性恢復(fù)過程的類黃酮的合成，并誘導(dǎo)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子如WRKY22、WRKY53和ARF18的上調(diào)表達(dá)，破壞下游脂質(zhì)代謝的平衡，最終導(dǎo)致恢復(fù)系花粉育性下降[54]。近期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所成功建立了跨越棉屬種間/ 種內(nèi)、無基因型限制的棉花高效遺傳轉(zhuǎn)化體系——種子頂端分生組織細(xì)胞介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化（shoot apical meristem cell-mediated transformation,SAMT），轉(zhuǎn)化周期縮短至2～3 個月， 這為加速棉花功能基因研究和基因工程育種進(jìn)程提供了重要技術(shù)保障[63]。因此，可利用SAMT 轉(zhuǎn)化體系在已審定“三系”雜交種（如優(yōu)質(zhì)棉中棉所99）親本中過表達(dá)耐高溫轉(zhuǎn)錄因子（如HSPs）或通過基因編輯敲除溫度敏感型轉(zhuǎn)錄因子（如WRKY53）等，增強(qiáng)花藥發(fā)育對高溫的耐受性，從而降低高溫脅迫下不育胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)。

3.5 通過栽培管理措施緩解高溫脅迫下不育胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)

植物花藥發(fā)育對高溫的響應(yīng)機(jī)制十分復(fù)雜，其中內(nèi)源植物激素包括生長素[34,64]和茉莉酸[65]等參與調(diào)控花藥發(fā)育對外界高溫的響應(yīng)過程。 在棉花中，高溫引起花藥不開裂和花粉敗育，主要是由于過度激活的生長素信號[34]以及茉莉酸合成和代謝平衡受到破壞[54,65]。 因此，在極端高溫天氣來臨前，可對盛花期的棉株噴施適宜濃度的茉莉酸甲酯或生長素抑制劑等，在一定程度上緩解高溫脅迫下不育胞質(zhì)對“三系”雜交種花藥發(fā)育的負(fù)效應(yīng)，以增加成鈴數(shù)和產(chǎn)量。

3.6 加強(qiáng)棉花新型配子體胞質(zhì)不育的基礎(chǔ)研究及育種應(yīng)用

三裂棉CMS（CMS-D8）是一種新型的棉花胞質(zhì)不育類型，目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“三系”配套，其恢復(fù)系的育性相比孢子體不育類型的CMSD2 胞質(zhì)恢復(fù)系在高溫下表現(xiàn)更為穩(wěn)定[26,39-40]。 此外，CMS-D8 屬于配子體不育類型， 不育胞質(zhì)雜種F1自交所得F2群體中不會出現(xiàn)不育株[66]，因此在當(dāng)前新疆主產(chǎn)棉區(qū)機(jī)械化密植條件下具有潛在的育種應(yīng)用價值[1]。 關(guān)于棉花CMS-D8 系統(tǒng)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所近年來在不育基因和恢復(fù)基因定位以及分子標(biāo)記開發(fā)等方面已取得一系列進(jìn)展[39-40,60,67]。 當(dāng)前，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)棉花CMS-D8 不育及其育性恢復(fù)機(jī)理研究，同時通過常規(guī)育種與MAS 育種技術(shù)相結(jié)合， 加快推進(jìn)CMS-D8 不育系和恢復(fù)系的回交改良以及 “三系”雜交棉新品種選育工作。

4 前景展望

利用雜種優(yōu)勢可以顯著提高棉花產(chǎn)量、改善纖維品質(zhì)和增強(qiáng)抗逆性等[68]。 目前生產(chǎn)上推廣種植的主要是人工去雄授粉獲得的棉花雜交種，其種植面積僅占我國植棉面積的10%左右。 勞動力成本逐年攀升，為生產(chǎn)上大面積推廣利用人工去雄授粉制種技術(shù)獲得的雜交種帶來了不利影響[4]。因此，簡化、高效、低成本的棉花制種方法已成為我國雜交棉發(fā)展的必然要求。 利用CMS-D2“三系法” 開展雜交制種可以很好地解決這一問題，既能免去人工去雄成本，又能通過大面積制種有效提高雜交種純度。 我國棉花CMS 研究與利用起步較晚，仍有較多問題有待解決，但可以借鑒水稻、油菜、白菜和蘿卜等作物中CMS 研究與利用的成功經(jīng)驗(yàn)， 加強(qiáng)對現(xiàn)有 “三系” 材料CMS-D2 胞質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生的分子基礎(chǔ)研究，采取常規(guī)育種、MAS 育種和細(xì)胞工程育種等相結(jié)合的方法選育和改良強(qiáng)優(yōu)勢的“三系”親本和雜交種，并輔以適宜的栽培技術(shù)措施等盡量減輕甚至消除不育細(xì)胞質(zhì)帶來的負(fù)效應(yīng)，從而拓寬胞質(zhì)不育“三系” 雜交種在我國夏季溫度較高的長江流域棉區(qū)的推廣種植。 近年來，已有一些強(qiáng)優(yōu)勢的棉花“三系”雜交種如邯雜301、優(yōu)質(zhì)棉中棉所99 和魯雜2138 等在黃河流域棉區(qū)和新疆植棉區(qū)示范種植，表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)潛力和適應(yīng)性，說明不育系簡化制種技術(shù)在我國未來雜交棉生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 因此，選育和改良棉花“三系”雜交種并在我國主產(chǎn)棉區(qū)推廣應(yīng)用，有望大幅度增加植棉效益并提高棉農(nóng)的收入。