IaaM基因对不同遗传背景棉花品种纤维品质及衣分的影响

laaM基因对不同遗传背景棉花品种纤维品质及衣分的影响王士杰;赵红霞;朱继杰;和剑涵;李妙;王国印;贾晓昀【摘要】以转iaaM基因的种质材料IF1-1为供体，将iaaM基因转育到衣分和纤维细度有待改良的不同遗传背景的86个品系(种)中.通过对自交和回交群体目标性状的研究分析，结果表明:iaaM基因能够显著改良马克隆值(P=0.0449*),由原来的5.39降为5.20,降幅为0.19;对衣分的改良效果不显著;纤维长度和比强度略有提高,子指略微降低，无显著影响;iaaM基因与衣分、纤维长度和比强度呈正相关，与子指呈负相关但不显著,与马克隆值呈显著性负相关(R=-0.221*).iaaM基因对马克隆值的改良效果明显,且对其它性状和纤维品质未造成不利影响，在未来高品质棉花育种中能发挥重要作用.【期刊名称】《河北农业大学学报》【年(卷)，期】2019(042)002【总页数】5页(P36-40)【关键词】iaaM基因;遗传背景;衣分;纤维品质【作者】王士杰;赵红霞;朱继杰;和剑涵;李妙;王国印;贾晓昀【作者单位】河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室，河北石家庄050035;河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室，河北石家庄050035;河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室,河北石家庄050035;河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室,河北石家庄050035;河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室，河北石家庄050035;河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室，河北石家庄050035；河北省农林科学院粮油作物研究所/河北省作物遗传育种实验室，河北石家庄050035【正文语种】中文【中图分类】S562近年来黄河流域育成的棉花品种马克隆值普遍偏高，纤维出现变粗趋势［1-5］。以河北省为例，审定品种的马克隆值平均值从2005年的4.40上升到2013年的5.04,其中2010年、2011年和2012年审定棉花新品种的马克隆值均值高达5.11。马克隆值的逐年升高，一方面可能与近些年气候变化有关，但主要与品种遗传品质有关。此外，黄河流域棉区育成品种的衣分也显著低于长江流域和西北内陆棉区。为满足纺织工业对纤维品质的要求，黄河流域棉区急需解决纤维马克隆值偏高的问题。我国棉花品种资源的遗传基础比较狭窄［6］，优异品质的种质材料匮乏，依托现有种质资源对有关性状进行遗传改良的难度较大。西南大学构建的FBP7-iaaM基因导入棉花后可以提高棉花胚珠中IAA的含量，内源生长素（IAA）对棉纤维的萌发和发育起着至关重要的作用［7-15］，通过对内源生长素在时间和空间上的精确调控，可显著提高棉花长纤维数量（衣分达到48%-49%），改进棉花纤维的细度（马克隆值为4.4~4.5）［16-17］。王国宁等将iaaM基因转育到陆地棉品系中，通过对F1、F2群体的分析，iaaM基因能够显著提高衣分和降低马克隆值，同时并未对子指、铃重、单株结铃等产量性状和纤维长度、断裂比强度、整齐度、伸长率等纤维品质造成负面影响［18］。陈旭升以转iaaM基因的种质IF1-1为杂交亲本，对F2近等基因系的相关分析，iaaM基因与纤维长度存在显著正相关，与马克隆值存在显著负相关，与伸长率存在非显著负相关，与断裂比强度存在显著正相关，但本研究利用转FBP7-iaaM基因棉花材料IF1-1为亲本，通过杂交、回交等方法，将iaaM基因转育至具有不同遗传背景的优良棉花品系（种）中，通过对自交和回交群体目标性状的分析，旨在进一步明确iaaM基因在降低纤维马克隆值和提高衣分上的效果，为转iaaM基因材料在棉花产量与品质同步遗传改良中的应用提供参考。1材料与方法1.1供试材料选择具有不同遗传背景的供试材料总计86个，详见表1。表186个不同遗传背景的品种（系）Table186varieties（lines）withdifferentgeneticbackground编号Number品种（系）名称Varieties（strains）编号Number品种（系）名称Varieties（strains）编号Number品种（系）名称Varieties（strains）Q12012-912（棕絮）Q3110-1516Q6106-1580Q22012-1029（棕絮）Q3208N159Q6211-425Q309-2137（棕絮）Q3310-1278Q6307-1304Q409-2124（棕絮）Q3407-1187Q6408-658（光子）Q510-859（棕絮）Q352012-1531Q652010N86（光子）Q62012-1033（绿絮）Q362012-1079Q6607-1258Q72012-1034（绿絮）Q3709-1078Q6708-2038Q82012-1035（绿絮）Q38冀丰554Q6807-1656Q92012-1037（绿絮）Q3909-1082Q6907-1343Q1011-286Q4007-2012Q7009-456Q1111-1327（红叶）Q41冀丰103Q712010N80（低酚）Q1211-1328（红叶）Q42冀丰4号Q722012-1833Q1311-2057-1（柳叶）Q43冀丰1271Q73圣丰1号Q1411-2171Q442012-1397Q742011黄B6Q1511-2172Q4506-1495Q75冀棉958Q16冀丰522Q4610-1333Q762012YC07Q1705-1234Q47观11-272Q7709N179Q1806-1014Q4809-1033Q78新陆中47（阿克苏）Q1906-1650Q4910-1409Q79新陆中47Q2008-1213（光子）Q5011-1264Q802011黄B2Q2110N94Q5109-452Q812011黄B4续表编号Number品种（系）名称Varieties（strains）编号Number品种（系）名称Varieties（strains）编号Number品种（系）名称Varieties（strains）Q2210-1591（鸡脚叶）Q5210-1207Q822011黄B9Q2310-1661（鸡脚叶）Q5311-1466Q832011黄B10Q24冀668Q5411-1613Q842011黄B11Q25947系Q5511-1616Q852012-1854Q2602N109Q5611-1611Q8602-275Q27冀丰1982Q5711-1589Q28冀丰914Q5811-1274Q2905-1441Q592012-1613Q30优系817Q606421.2试验方法2013以IF1-1材料为父本，以本研究室自育的品种（系）（见表1）为母本，编号为Q1~Q86，配制了86个杂交组合，同年将86个杂交组合在海南三亚南红农场南繁加代，在苗期参照Jefferson的GUS染色法，对86个F2群体进行阳性株的筛选，收获F2种子。第二年将86个亲本和F2群体在河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站种植，每个群体种60株，共计5160株。在苗期参照Jefferson的GUS染色法，对86个F2群体进行阳性株的筛选。花期对各群体阳性株进行回交转育，吐絮期分别混收各个F2群体中阳性株和阴性株的正常吐絮棉铃，测定各自衣分。同年将收获的BC1种子在南繁基地种植，每个群体种20株，共计1720株，并进行阳性株的筛选，回交加代收获BC2种子后2015年在河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站种植80个BC2群体，每个群体种40株，共计3200株，继续进行阳性株的筛选并回交转育。吐絮期分别混收各个BC2群体中阳性株和阴性株上的正常吐絮棉铃，测定其衣分、子指，取皮棉20g送农业部棉花品质监督检验中心测定纤维品质。依照上述方法2016年测定48个BC4群体的衣分和纤维品质，并对BC4群体连续自交2代，综合鉴定高代（BC4F3）稳定的转iaaM基因品系。采用DPS对试验数据进行方差分析；采用赵仁镕［21］的质量性状与数量性状的分析方法进行相关分析，将阳性群体(含iaaM基因)用数字1代表，阴性群体(无iaaM基因)用数字0代表，与棉花的其它性状进行相关分析。2结果与分析2.1F2群体与亲本之间的衣分差异及iaaM基因与衣分的相关性F2群体(以下称F2群体)衣分的均值为43.09%，亲本群体衣分的均值为42.52%，F2群体与亲本衣分之间的显著水平为0.2252，二者之间不存在显著差异；iaaM基因与衣分相关系数仅为0.0930，两者之间存在较弱的正相关(见表2)。表2F2群体与亲本衣分之间的差异及相关性Table2DifferenceandcorrelationoflintpercentagebetweenF2groupandparents注：R0.05(80)=0.217,R0.01(80)=0.283。显著水平ProbabilitylevelF2/有iaaM(1)43.09a0.2252亲本/无iaaM(0)42.52a相关系数(R)0.0930iaaM基因IaaMgene衣分/%Lintpercentage2.2阳性群体与阴性群体之间的衣分差异及iaaM基因与衣分的相关性将BC2和F2群体中阳性群体和阴性群体的衣分进行方差分析(表3),结果显示，BC2阳性群体的衣分均值为42.08%,BC2阴性群体的衣分均值为41.43%，两个群体在衣分性状上不存在显著差异；F2阳性群体的衣分均值为43.09%,F2阴性群体的衣分均值为43.69%，两个群体在衣分性状上亦不存在显著差异。在BC2和F2群体背景下，iaaM基因的导入伴随着衣分出现较小变化，效果不明显。BC2和F2群体背景下的iaaM基因与衣分相关性分析(见表3):iaaM基因和衣分的相关性分析在BC2群体背景下呈正相关(R=0.0992)，在F2群体背景下呈负相关(R=-0.0989)。研究表明，F2群体中基因的纯合度低，且群体中可能仍然存在着某些杂种优势，这些杂种优势引起的衣分变化掩盖了iaaM基因对衣分改良效果；BC2群体经过2代回交转育，群体中基因的纯合度较高，与轮回亲本相比，二者遗传背景接近，能够充分体现出iaaM基因对衣分的改良效果。因此，利用回交群体作为研究iaaM基因对棉花衣分和纤维马克隆值影响，以及iaaM基因与棉花主要性状相关性的对象群体较为准确。表3阳性群体与阴性群体之间衣分的差异及其相关性Table3DifferenceandcorrelationoflintpercentagebetweenpositivegroupandnegativegroupiaaM基因IaaMgene显著水平ProbabilitylevelBC2/有iaaM(1)42.08a0.2068BC2/无iaaM(0)41.43a相关系数(R)0.0992F2/有iaaM(1)43.09a0.1864F2/无iaaM(0)43.69a相关系数(R)-0.0989衣分/%Lintpercentage2.3BC2群体与亲本之间主要性状的差异及相关性由表4可见，亲本群体的衣分均值为41.6%,BC2阳性群体(以下称为BC2群体)的衣分均值为42.08%，二者之间不存在显著差异；iaaM基因与衣分的相关系数为0.0749，相关性不显著。BC2群体的纤维长度和比强度均值较亲本群体均有略有提高，提高幅度分别为0.39mm和0.28cN/tex，不存在显著差异；iaaM基因与纤维长度、比强度的相关系数分别为0.1139和0.0578，相关性不显著。BC2群体的马克隆值和子指均值较亲本群体略有降低，降低幅度分别为0.19g和0.29g，两个群体在马克隆值性状上存在显著差异，在子指性状上不存在显著差异;iaaM基因与子指呈负相关，相关系数为-0.1439，相关性不显著；iaaM基因与马克隆值呈负相关，相关系数为-0.221，相关性显著。综上结果，在BC2群体下，iaaM基因的导入伴随着马克隆值变小，效果显著；衣分、纤维长度和比强度略有提高，子指略有降低，且效果不显著。IaaM基因与马克隆值呈显著负相关，与衣分、子指、纤维长度和比强度相关性均不显著。表4BC2阳性群体与亲本之间主要性状的差异及其相关性Table4DifferernceandcorrelationofmajorcharacteristicsbetweenBC2positivegroupandparents注：R0.05(80)=0.217，R0.01(80)=0.283；*表示达显著水平。马克隆值MicronairevalueBC2/有iaaM(1)42.08a11.21a29.65a29.14a5.20b亲本/无iaaM(0)41.60a11.50a29.26a28.86a5.39a显著水平0.34660.07750.14790.45020.0449*相关系数(R)0.0749-0.14390.11390.0578-0.221*iaaM基因IaaMgene衣分/%Lintpercentage子指/gSeedindex纤维长度/mmFiberlength比强度/(cN-tex-1)Fiberstrength3讨论IaaM基因的导入使导入群体与亲本之间在棉花的主要性状上存在差异，但低代自交群体较亲本在某些性状的突出表现可能缘于iaaM基因的导入，亦可能是由于杂种优势等因素的影响。BC2群体和亲本的基因型更为相近，能够较大程度上消除杂种优势因素的干扰，更加客观地评价iaaM基因对棉花衣分和纤维品质的遗传改良效果。在BC2群体背景下，iaaM基因的导入伴随着马克隆值显著变小，效果明显，且iaaM基因与马克隆值的相关性显著；衣分、纤维长度和比强度略有提高，子指略有降低，效果不明显，且iaaM基因与衣分、子指、纤维长度和比强度的相关性均不显著。本研究的对象是86个不同遗传背景的品种(系)及其自交和回交多个群体，在群体遗传背景、类型及其规模上与前人均有差异，此类差异在一定程度上消除了遗传背景及杂种优势对iaaM基因的影响，更加客观地评价了iaaM基因对棉花衣分和纤维细度的改良效果。但此研究方法还有待完善，原因在于iaaM基因导入的假阳性率较高，即便在DNA或RNA水平上证明了iaaM基因导入的成功，也有可能由于转基因植物中表达的复杂调控机制，以及外界环境因素的影响，使得iaaM基因不能够充分表达，进而不能在转基因植物表型上有所体现。因此在回交早期世代通过检测胚珠生长素含量、衣分和马克隆值等各种生理、农艺和纤维品质性状，鉴定目标基因在各个水平的表达效果，据此筛选符合育种目标要求的后代个体，是更为科学有效的尝试。参考文献：【相关文献】庞念厂.近十年我国棉花审定情况分析[D].北京：中国农业科学院，2012.李爱国，李增书,眭书祥，等.河北省近年审定常规棉品种主要性状分析[J].河北农业科学，2010，14(2):5-6,12.柯会锋，王省芬,吴立强，等.棉花PhyA新品系纤维品质及黄萎病抗性分析[J].河北农业大学学报,2016,39(4):1-5+11.李保军.邯郸市农业科学院常规棉育种进展[J].河北农业科学，2011,15(2):98-99,140.王志忠，刘秀菊林永增，等.黄河流域棉花品种主目标性状的分布特点及其相关性研究[J].华北农学报，2006，21(增刊)：97-102.王芙蓉涨军,刘琴红，等.我国棉花种质创新进展与展望[J].棉花学报，2001,13(1):50-53.GialvalisS,SeagullRW.Planthormonesalterfiberinitiationinunfertilized,culturedovulesofGossypiumhirsutum[J].JournalofCottonScience,2001,5(4):252-258.BeasleyCA,TingIP.Effectsofplantgrowthsubstancesoninvitrofiberdevelopmentfromunfertilizedcottonovules[J].AmericanJournalofBotany,1974,61(2):188-194.SeagullRW,GiavalisS.Pre-andpost-anthesisapplicationofexogenoushormonesaltersfiberproductioninGossypiumhirsutumL.cultivarMaxxaGTO[J].JournalofcottonScience,2004,8(2):105-111.RanseyJC,BerlinJD.Ultrastructuralaspectsofearlystagesincottonfiberelongation[J].AmericanJournalofbotany,1976,63(6):868-876.BeasleyCA.Invitrocultureoffertilizedcottonovules[J].Bioscience,1971,21(17):906-907.GokaniSJ,KumarR,ThakerVS.Pote