湖南轉(zhuǎn)基因棉花品種的選育與應(yīng)用

在5月的“75”期間，中國(guó)開始研究蘇云金芽菌殺死蛋白質(zhì)基因的分離和轉(zhuǎn)殖植物。作為中國(guó)最南端的商品棉制造商之一，湖南省棉花種植面積穩(wěn)定在13.33萬(wàn)公頃左右。通過該省轉(zhuǎn)移的bt基因棉湘k-5和農(nóng)業(yè)混合62的雜交品種主要用于轉(zhuǎn)移。其他品種包括新棉29、新棉33b、南銀4號(hào)、南農(nóng)98-4補(bǔ)充。2002年推廣種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉約3萬(wàn)hm2,2003年達(dá)到了7萬(wàn)hm2,約占全省植棉面積的50%,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。1發(fā)展雜交棉花的潛在趨勢(shì)1.1湖南農(nóng)業(yè)系統(tǒng)選育湖南省基因工程棉大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:從20世紀(jì)80年代起開展利用外源DNA直接導(dǎo)入建立棉花遺傳轉(zhuǎn)化體系;“九五”重點(diǎn)發(fā)展雜種優(yōu)勢(shì)利用技術(shù)和外源DNA導(dǎo)入技術(shù),湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)采用花粉管通道法將外源DNA成功地導(dǎo)入到了陸地棉品種中,經(jīng)系統(tǒng)選育育成了湘棉12號(hào);“十五”期間湖南棉花育種攻關(guān)第一次將生物技術(shù)與常規(guī)育種結(jié)合選育棉花新品種列為重點(diǎn)攻關(guān),通過加強(qiáng)集成、聯(lián)合攻關(guān)、引進(jìn)與自主創(chuàng)新相結(jié)合,提高了棉花生物技術(shù)的研發(fā)頻率,主要采用花粉管通道法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)和雜交回交轉(zhuǎn)育等方法,先后選育了湘K-5、農(nóng)雜62等強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合。1.2關(guān)于轉(zhuǎn)移抗蟲雜交棉花的研究1.2.1結(jié)鈴性和毒蛋白湖南省棉花科學(xué)研究所1996年與中國(guó)農(nóng)科院生物技術(shù)研究所合作導(dǎo)入并培育了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單抗、多抗基因材料多份,現(xiàn)有Y28、Y35、Y47、Y98、Y100等20多份材料基本穩(wěn)定并正在用于雜交選配;與中棉所合作導(dǎo)入獲得的N-1、N-2、N-3、N-4、N-8等5個(gè)株系,均表現(xiàn)結(jié)鈴性強(qiáng),單鈴重稍有降低,衣分顯著提高,麥克隆值降低;特別是2000年湖南省棉花科學(xué)研究所與中國(guó)科學(xué)院植物所合作,由中科院植物所提供Bt+GNA(GNA抗蚜蟲基因)雙價(jià)基因,采用花粉管通道法導(dǎo)入到2個(gè)核心親本材料中并獲得了5個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因雙價(jià)抗蟲棉材料,育成了“湘抗EN-1～5”等5個(gè)較好的株系材料。2001年由中國(guó)科學(xué)院微生物研究所通過PCR檢測(cè),證實(shí)了雙價(jià)基因已成功導(dǎo)入棉花植株,并較Bt基因多一段信號(hào)肽,分子量偏大,以區(qū)別其它轉(zhuǎn)基因棉花材料。2002年進(jìn)行了ELISA測(cè)試,導(dǎo)入的3個(gè)雙價(jià)抗蟲棉材料湘抗EN-1～3的ELISA含量分別為1511ng·g-1、1910ng·g-1和1514ng·g-1,毒蛋白含量高于美國(guó)33B的1233.11ng·g-1。2003年申報(bào)國(guó)家安全性評(píng)價(jià)中間試驗(yàn)并獲得了批準(zhǔn)。1.2.2湖南及其他長(zhǎng)江中游棉湘K-5是湖南省棉花科學(xué)研究所利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“國(guó)抗棉1號(hào)”選系為父本與本所選育的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病V23為母本選育出的強(qiáng)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)基因雜交棉組合。已通過2000-2002年的長(zhǎng)江流域棉花品種區(qū)域試驗(yàn)與生產(chǎn)試驗(yàn),2000-2001年長(zhǎng)江流域區(qū)域試驗(yàn)中,子、皮棉產(chǎn)量分別為每公頃3705kg和1537kg,比對(duì)照(泗棉3號(hào))分別增產(chǎn)19.11%和11.31%。2002年的長(zhǎng)江流域生產(chǎn)試驗(yàn)中子、皮棉產(chǎn)量分別為3696.6kg和1521kg,比對(duì)照(各省的主栽品種)分別增產(chǎn)15.1%、13.39%。纖維品質(zhì):2.5%跨長(zhǎng)為30.05mm,比強(qiáng)度為33.82cN·tex-1,麥克隆值為4.7,氣紗品質(zhì)1997.5分。湘S26是湖南省棉花科學(xué)研究所培育的一個(gè)集優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病蟲三位一體的轉(zhuǎn)基因雜交組合。該組合已通過2002-2003年的湖南省棉花區(qū)域試驗(yàn)。2002年區(qū)試皮棉產(chǎn)量達(dá)1740.9kg·hm-2,比對(duì)照增產(chǎn)12.5%,增產(chǎn)極顯著。2003年皮棉產(chǎn)量1550.9kg·hm-2,比對(duì)照增產(chǎn)9.78%,增產(chǎn)極顯著。2.5%跨長(zhǎng)為32.27mm,比強(qiáng)度為35.7cN·tex-1,麥克隆值為4.45,紡紗均勻性指數(shù)159。纖維品質(zhì)優(yōu)良,可紡60支紗,符合國(guó)家將湖南及長(zhǎng)江中下游棉區(qū)定位為50～60支紗的區(qū)劃方針。農(nóng)雜62是湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所利用引進(jìn)的墨西哥抗蟲種質(zhì)資源與當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣品種雜交選育的轉(zhuǎn)基因抗蟲組合,多年多點(diǎn)平均皮棉產(chǎn)量1800kg·hm-2以上,比中棉所29、泗棉3號(hào)、南抗3號(hào)均顯著增產(chǎn),比湘雜棉2號(hào)增產(chǎn)10%以上。纖維品質(zhì):2.5%跨長(zhǎng)為30.48mm,比強(qiáng)度為34.02cN·tex-1,麥克隆值為4.7,氣紗品質(zhì)2079。1.2.3長(zhǎng)沙棉田棉田生長(zhǎng)情況①“海洞”核不育系:采用雜交回交轉(zhuǎn)育的方法,將隱性的“海洞”核不育系轉(zhuǎn)育成轉(zhuǎn)基因抗蟲“海洞”核不育系,并獲得穩(wěn)定的核不育系材料。目前湖南省棉花科學(xué)研究所已選育出湘C-21～C-25等一批高優(yōu)勢(shì)組合參加各級(jí)試驗(yàn),特別是湘C-21在2003年湖南省棉花區(qū)試中,其產(chǎn)量和品質(zhì)表現(xiàn)均較好,比對(duì)照中棉所29增產(chǎn)極顯著,有望近年內(nèi)育成湖南省首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲雜交棉核不育系和利用核不育系制種的雜交棉組合。②“湘遠(yuǎn)A3”棉花轉(zhuǎn)基因胞質(zhì)不育三系研究:湘遠(yuǎn)A1、湘遠(yuǎn)A2棉花胞質(zhì)不育系是湖南省棉花科學(xué)研究所從海島棉與陸地棉進(jìn)行雜交,回交穩(wěn)定后,從后代中選出的不育株與瑟伯氏野生棉雜交育成的豐產(chǎn)湘遠(yuǎn)A和抗病湘遠(yuǎn)A2兩個(gè)胞質(zhì)不育系,又從遠(yuǎn)緣雜交后代中選育出了恢復(fù)系湘H1、湘H2、湘H3。1997年采用雜交回交轉(zhuǎn)育選擇相結(jié)合的方法,目前已育成湘遠(yuǎn)A3轉(zhuǎn)基因抗蟲胞質(zhì)不育系、保持系、恢復(fù)系并實(shí)行三系配套,正在進(jìn)行組合篩選。2限制湖南棉紡織發(fā)展的因素2.1生物學(xué)和生物學(xué)受設(shè)備條件、人員和研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入不足等影響,目前湖南轉(zhuǎn)基因棉以花粉管通道法、基因槍法為主,而對(duì)PEG介導(dǎo)法、脂質(zhì)體介導(dǎo)法、超聲波法、激光微束法、電泳法等物理、化學(xué)和生物學(xué)方面的方法很少涉及,大大限制了轉(zhuǎn)化效率的提高,以致研究水平低,差距大,創(chuàng)新性成果相對(duì)少,進(jìn)展較慢。2.2種植由單一的基因引起的病蟲害目前在湖南種植的轉(zhuǎn)基因棉花基本上是Bt基因,Bt+CpTI基因、Bt+GNA基因等,而其它殺蟲蛋白基因、抗病基因、抗除草劑基因、棉花雜種優(yōu)勢(shì)基因、抗逆基因、纖維改善等基因應(yīng)用是一片空白。而且長(zhǎng)期種植單一類型轉(zhuǎn)基因棉將導(dǎo)致目標(biāo)害蟲易產(chǎn)生抗性和非靶標(biāo)害蟲易變?yōu)橹饕οx,以致帶來嚴(yán)重的生態(tài)后果。因此。培育雙價(jià)或多價(jià)的轉(zhuǎn)基因棉,以提高功能基因的功效時(shí)間,減緩?fù)嘶墙窈笠欢螘r(shí)間研究的重中之重。2.3對(duì)非目標(biāo)昆蟲及人類重要?jiǎng)又参锏拈T診量眾所周知,Bt作為一種殺蟲生物制劑,已在作物生產(chǎn)中安全地使用了約40年,證明對(duì)人畜無害。且Bt菌形成芽孢時(shí)產(chǎn)生的殺蟲晶體蛋白對(duì)不同的昆蟲有很強(qiáng)的專一性,未發(fā)現(xiàn)對(duì)非目標(biāo)昆蟲及人畜等哺乳動(dòng)物有害。因此,建議只對(duì)基因進(jìn)行安全性評(píng)價(jià),不需對(duì)所轉(zhuǎn)育的每個(gè)品種進(jìn)行安全性評(píng)價(jià),同時(shí)一個(gè)轉(zhuǎn)基因棉品種安全性評(píng)價(jià)周期大約6～7年,大大抑制了新品種的審定與產(chǎn)業(yè)化推廣。2.4利用優(yōu)質(zhì)的品種推廣受體選擇應(yīng)考慮兩個(gè)方面,一方面要獲得高效穩(wěn)定的再生植株,另一方面要結(jié)合選育的品種具有潛在的推廣應(yīng)用價(jià)值。目前開發(fā)出的各種功能基因較多,對(duì)受體有一定的專一性,很多育種單位對(duì)各種基因的受體選擇隨機(jī)性、盲目性大,影響選育效果和利用價(jià)值,浪費(fèi)了大量的人力與物力。2.5岱字棉公司的成立生物技術(shù)與傳統(tǒng)育種相結(jié)合是21世紀(jì)棉花科研的熱點(diǎn)與難點(diǎn),必須要有熟悉生物技術(shù)和懂傳統(tǒng)育種的綜合性人才,才能有效開展此項(xiàng)工作;⑥美棉的沖擊,美國(guó)岱字棉公司以經(jīng)營(yíng)產(chǎn)量高,品質(zhì)優(yōu),綜合性狀好的品種新棉33B和新棉99B,并采取種子“繁供銷”的市場(chǎng)體系和全程的社會(huì)化服務(wù),先后在我國(guó)成立了合資企業(yè)“冀岱棉種公司”、“安岱棉種公司”。而且在湖南省正準(zhǔn)備成立“湘岱棉種公司”。面對(duì)急劇變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)發(fā)展的新形勢(shì),湖南棉花能否與國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),走一條可持續(xù)發(fā)展的道路,其實(shí)質(zhì)在于進(jìn)一步加大轉(zhuǎn)基因的育種力度和規(guī)范安全性評(píng)價(jià)制度。3一些建議3.1選育抗蟲棉品種目前當(dāng)務(wù)之急是把已轉(zhuǎn)化成功的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品系、新組合盡快擴(kuò)大繁殖,并與常規(guī)育種相結(jié)合,培育出適應(yīng)我國(guó)不同生態(tài)類型、不同熟制和符合紡織工業(yè)要求的多種類型的抗蟲棉品種。而且要加快審定并在生產(chǎn)中進(jìn)行試驗(yàn)示范和應(yīng)用推廣,為棉花持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展發(fā)揮作用。3.2發(fā)展結(jié)構(gòu)上,應(yīng)重視基因材料和品種的選擇“十一五”期間,要從戰(zhàn)略角度出發(fā),采取各種形式加強(qiáng)與上游生物技術(shù)研究單位及國(guó)際合作與技術(shù)引進(jìn),集會(huì)各方面優(yōu)勢(shì)力量,做到強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),廣泛深入開展分子生物學(xué)研究,分離、克隆和合成新的抗蟲、抗病等多種抗逆基因,并進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化,以保持關(guān)鍵領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新能力,確保湖南省棉花生產(chǎn)高速發(fā)展。因此,當(dāng)前應(yīng)該高度重視基因工程棉與常規(guī)育種的結(jié)合問題。一方面,只有受體材料的高起點(diǎn),才有轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的高價(jià)值?；蚬こ萄芯咳藛T應(yīng)高度重視轉(zhuǎn)基因受體材料的篩選,通過與實(shí)力雄厚的科研育種單位合作,及時(shí)掌握雜交棉研究最新動(dòng)態(tài),盡可能選用最新最優(yōu)良的超高產(chǎn)核心親本材料進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化,以確保獲得的轉(zhuǎn)基因品系能在生產(chǎn)上直接發(fā)揮重要作用。另一方面,常規(guī)育種科技人員也應(yīng)該高度重視現(xiàn)代基因工程在解決常規(guī)育種面臨的重大難題方面的強(qiáng)大威力,主動(dòng)將配合力突出的核心種質(zhì)資源用于基因工程改良,以使培育的雜交棉新組合更加符合“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、早熟”育種目標(biāo)。3.3加強(qiáng)長(zhǎng)沙棉花生物技術(shù)的研發(fā)和研究與常規(guī)育種結(jié)合建立湖南棉花生物技術(shù)育種平臺(tái),調(diào)整棉花生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)態(tài)勢(shì),形成以高等院校、研究所為中心的研發(fā)體系,形成具有湖南特色的棉花生物技術(shù)產(chǎn)-學(xué)-研技術(shù)體系,不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力,培育出適合湖南省及長(zhǎng)江流域棉區(qū)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的基因工程棉花品種。3.4抗蟲棉對(duì)藥物系統(tǒng)的影響從個(gè)體生態(tài)學(xué)、種群生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的角度深入研究害蟲對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的適應(yīng)機(jī)制、轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對(duì)生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響,從而建立相應(yīng)的管理策略和技術(shù)體系。同時(shí)應(yīng)用分子生物學(xué)、遺傳工程等高新技術(shù),開展和加強(qiáng)目標(biāo)害蟲成災(zāi)機(jī)理和控制的基礎(chǔ)研究,以發(fā)展與環(huán)境相容的害蟲控制新戰(zhàn)略和新方法。3.5新技術(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)新品種配套的“優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)高效栽培技術(shù)”、“立體種植增收技術(shù)”、“降低成本增效技術(shù)”、“棉花規(guī)模化、區(qū)域化種植技術(shù)”、“棉花信息化技術(shù)”等各種新技術(shù),深入研究影響轉(zhuǎn)基因棉產(chǎn)量、品質(zhì)形成的最顯著因子,根據(jù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程學(xué)原理與方法,利用計(jì)算機(jī)