亚比棉人工合成及研究现状

李炳林 张伯静 马金虎 渠云芳 樊冬丽 段永红 解志红

原产澳洲的棉属野生种比克氏棉(Gossypium bickii,2n=2x=26，染色体组符号G1)，具有一种特殊的腺体延缓形成特性。休眠种子中种仁内无腺体，没有棉毒素。种子萌发后出现腺体，沉积棉酚，其棉株、叶片、茎秆、蕾铃上都有腺体。比克氏棉还具有多毛抗虫、结铃性强等特性，世界各植棉国的遗传育种学者都想将这一宝贵性状转育到栽培陆地棉种(G.hirsutum)上，进而培育种子低棉酚/植株高棉酚棉花新类型，为棉花综合利用、提高植棉经济效益而创育出具有突破性状的新品种。美国早在60年代用比克氏棉与陆地棉(G.hirsutum)、海岛棉(G.barbadense)以及多种二倍体棉种杂交，形成五倍体、六倍体等途径进行了研究探索。但因澳洲G染色体组与亚洲A染色体组及美洲D染色体组的染色体结构差异很大，减数分裂不能配对，不形成重组。G染色体组与A、B、D、E染色体组的亲缘关系又远，组合机率都很小，因而至今杂种育性难以恢复。前苏联也报道用陆地棉与比克氏棉杂交选育难度极大。我国棉花学者黄滋康(1979)在“棉花种子品质育种”专辑中提议，采用比克氏棉先与二倍体A染色体组杂交，杂种染色体加倍再与［AD］复合染色体组的四倍体陆地棉杂交的育种方案进行探索研究。

70年代末华中农业大学孙济中(1985)^[1]用亚洲棉与比克氏棉杂交获得杂种一代株(异源二倍体)并分析了杂种F1的形态特征和杂种全不育未能产生后代的细胞学染色体行为。山西农业大学李炳林等于1980年起用亚洲棉与比克氏棉杂交成异源二倍体，对杂种株进行染色体加倍，获得杂种育性恢复的双二倍体(异源四倍体)。但种子萌发后，胚根出现致死性障碍，不能正常栽种，后用种胚组培，激素诱导生根，筛选出胚根正常生长、植株成铃、结籽的株系，现已繁殖到高世代群体。到90年代又用亚洲棉×比克氏棉异源四倍体与陆地棉、海岛棉杂交，成功的组成二个三种杂种［(A2×G1)×(AD)1］和［(A2×G1)×(AD)2］，通过回交、株系间修饰性杂交，创育新种系。

1.1 植物学特征及特性

［AG］植株形态介于亚洲棉与比克氏棉之间，偏向比克氏棉，植株塔形，花有开放花和闭合花(闭花受精)两种，花瓣粉红色，基部红心大，深红色，异于A2和G1。蒴果为卵圆形，铃面腺体大而凹陷，棕色纤维^[3]。

［AG］异源四倍体种仁洁白，为无腺体。棉仁棉酚含量为0.0153%，低于国际粮农组织和世界保健组织(FAO/WHO)规定的标准(0.02%～0.04%)。

1.2 过氧化物酶同工酶分析

亲本A2的酶带为10条，特征酶带2条。G1酶带4条，为A2所共有。［AG］异源二倍体、四倍体的同工酶酶谱表现为双亲A2和G1的不完全互补型。异源四倍体共9条酶带，第7酶带为新生的酶带^[4]。

1.3 核型特点

对［AG］复合染色体组及其双亲进行了核型分析，其核型公式分别为：

A2 2n=2x=26=20m+4sm(2SAT)+2st(SAT)。核型类别为2A；

G1 2n=2x=26=16m(4SAT)+10sm。核型类别为2B；

［A2G1］ 2n=4x=52=50m(6SAT)+2sm。核型类别为1A。 ［AG］异源四倍体染色体组结构的特异性，主要表现为：(1)异源四倍体对称度较两亲本高，只有一对(第7)染色体为亚中着丝粒(sm)染色体，其余25对均为中着丝粒(m)染色体，而两亲本中共有14对sm染色体，且亚洲棉中出现近端着丝粒(st)染色体。(2)从臂比上看，亚洲棉的变化范围为1.10～3.15，比克氏棉为1.11～2.11，两者的平均臂比为1.50左右，但合成的异源四倍体臂比值变化于1.02～1.83之间，平均臂比值为1.26，比两亲本更集中、更对称。(3)异源四倍体中有三对随体染色体，分别位于第12、24、25对染色体上。其中第12对随体染色体来自比克氏棉的第7对，第24、25对随体染色体的供体可能分别来自亚洲棉第12对和比克氏棉的第13对，这两对随体染色体发生结构变异而形成异源四倍体中的两对随体染色体。

1990年以来，用(亚洲棉×比克氏棉)F1双二倍体作母本分别与5个陆地棉亲本进行杂交。共做了215朵花，收到含种子的杂交铃45个，杂交成功率为15.2%。5个组合共得到饱满的杂交种子98粒，每铃有杂交种子1～4粒，按组合种成植株。又用亚比棉与海岛棉杂交，均获得杂种植株。

2.1 形态特征和特性

三种杂种植株高壮，生长势强，开放花，花瓣大，粉红色，基部有较大的紫色花斑，苞叶和棉铃上腺体大。在株型、叶型、花铃器官及油腺呈现等特性上，分别表现各亲本的性状和特征，整体株型结构上近似陆地棉，而茸毛性状，近似比克氏棉，其密度大于陆地棉和亚洲棉，苞叶形状如同陆地棉，但苞叶大小和部分基部联合与亚洲棉相接近；叶色近似亚洲棉。铃大小和铃铛室数等性状介于三个亲本之间，而花瓣粉红色，花朵及其花斑都大于任何一个亲本，属于超亲遗传性状。表明三元杂种花器性状的遗传比较复杂。(亚洲棉×比克氏棉)×海岛棉三元杂种，在株型、铃型上偏向海岛棉亲本，叶型、苞叶大小近似亚洲棉。杂种的花瓣颜色、花斑颜色和大小等属于超亲性状。

2.2 色素腺体遗传表现

用人工合成的［AG］复合染色体组异源四倍体，再与自然界形成的［AD］复合染色体组栽培种陆地棉［AD］1，海岛棉［AD］2人工杂交，组配出三种杂种。三种杂种在株型、叶型、花、铃器官及腺体呈现等特性上，分别表现各样本的性状的特征，其整体株型结构近似陆地棉。而茸毛性状，近似比克氏棉和亚洲棉，表明茸毛性状的遗传力较强，其抗虫性导入三种杂种上。三种杂种的花瓣粉红色，基部花斑深紫色，较比克氏棉亲本的花瓣颜色深，而且花朵又很大，属超亲遗传性状。这说明三元杂种花器性状的遗传比较复杂。用合成的［A2A2G1G1］异源四倍体亚比棉与栽培四倍体［AADD］1［AADD］2中的不同色素腺体基因型品种进行了杂交，获得8个三种(元)杂种组合。用中棉所13号(低酚棉)和单节显性系1和显无中12三个陆地亲本与(亚比棉)异源四倍体杂交产生的种间三元杂种，为无色素腺体种子。而用有酚棉父本配制的三元杂种，均为有色素腺体种子。显然，亚比棉异源四倍体的种子无色素腺体性状(来源于比克氏棉)对gl2gl2gl3gl3和Gle2Gle2控制的种子无色素腺体性状，以及由Gl2Gl2gl3gl3控制的种子有色素腺体状为显性上位。对由Gl2Gl2Gl3Gl3和gl2gl2Gl3Gl3控制的种子有色素腺体性状为隐性上位。研究表明：其中［亚比棉×单节显性系1］F1，表现有比克氏棉的腺体延缓形成特性，又用陆地棉单节显性系1作轮回亲本进行回交，得到Bc1、Bc2、Bc3、Bc4等杂种世代的种子和植株。而回交各代种子上的色素腺体出现分离，归为4个类型：(1)种子无腺体/植株有腺体。(2)种子、植株少腺体。(3)种子少腺体/植株有腺体。(4)种子、植株为正常腺体类型。其中种子无腺体/植株有腺体性状，在Bc1～Bc4各世代中的比例，分别为：28.6%、20.7%、13.9%、11.7%。随着回交世代的增加，杂种细胞中轮回亲本(陆地棉)的遗传组成逐代增多，因而子叶腺体延缓形成特性出现的频率亦随之降低。性状遗传表明：在回交转育过程中，种子无腺体/植株有腺体特性，应作为目标性状，依靠逐代选择，可在后代中得到加强和稳定^[6]。

［AG］复合染色体组亚比棉，受野生棉亲本的影响，其棉铃、种子较小，纤维棕色而短。在与栽培种陆地棉杂交，合成三交(元)种异源四倍体后，受栽培四倍体棉种的影响，棉铃、种子明显增大，纤维逐渐变为白色，长度增加，衣分率提高，性状遗传表明：皮棉产量和纤维品质性状，可以通过栽培棉种的回交逐代得到恢复。

试验证明，用染色体工程育种技术先将野生二倍体G染色体组棉种与栽培二倍体A染色体组棉种，合成［AG］复合染色体组异源四倍体，作为种间远缘杂交育种的桥梁，再与自然界［AD］复合染色体组的栽培异源四倍体棉种杂交，组合成［AAGD］三交种源四倍体，可将外源特异基因导入栽培棉品种上。同时三种杂种由棉属三个染色体组的A1、A2、D5、G1四个棉种组合而成，具有起源于澳、美、非、亚等四大洲棉种的基因系统，其遗传物质基础丰富，因而在实现棉花突破性育种目标和提高育种效率上具有重要的应用价值。

3 棉花染色体工程育种技术

综上所述，为了选育具有突破性状的新品种，育种工作者都寄希望于开拓育种的基因资源和创建新兴育种技术。按棉属分类，现有39个种，二倍体棉种分属于A……G7个染色体组，四倍体棉种均属于［AD］复合染色体组，当今，由于生态环境因素的失调，致使一些棉种处于濒危境地，为了丰富棉花的种质资源，世界各植棉国都在探讨人工合成新棉种或将野生棉种的特异性状导入栽培四倍体棉种上的研究。目前，大都采用远缘杂交创造异染色体体系等生物技术，其中合成双二倍体和易位系是选育稳定种质的有效途径。美国创育的三种杂种“HAT”，就染色体组而言，仍属［AD］复合染色体组。现在国内合成的三种杂种“HAG”是用三个染色体组的四个棉种组合而成。棉花原产热带，大都起源于非、美、澳洲，中国没有野生棉种。寄希望于人工合成新棉种，以创造具有自己特色的棉花的遗传育种资源。

参考文献