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《浙江大学》 2007年
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基于细胞质雄性不育的海岛棉与陆地棉种间杂种优势利用研究

张小全  
【摘要】: 陆地棉(Gossypium hirsutum)和海岛棉(G.barbadense)是目前世界上广泛栽培的两个四倍体棉种。陆地棉以其适应性广,产量高而被广泛种植,约占世界棉花种植面积的95%。海岛棉具有纤维长、细、强等突出特点,是纺织高支纱和特种织物不可缺少的原料,而且具有高抗病虫,尤其抗黄萎病等优点。海岛棉与陆地棉种间的杂种一代(海陆杂种),可综合双亲的优良性状,利用其杂种优势,可在保持高产的同时,提高纤维品质。本文对细胞质雄性不育(质核互作雄性不育简称)海岛棉不育系的选育和“三系”配套,细胞质雄性不育海岛棉与陆地棉种间杂种优势的表现,以及海陆杂种杂种优势的相关机制进行了研究和探索,旨在为用“三系法”生产海陆杂交种种子并利用其杂种优势的育种实践提供理论依据。主要研究结果如下: 1.细胞质雄性不育海岛棉不育系的选育和“三系”配套研究 采用回交育种技术,选育了一套具有哈克尼西棉细胞质的海岛棉不育系“海A”以及其保持系“海B”,并用石蜡切片的方法对所选育的海岛棉不育系和保持系的小孢子发生进行了细胞学观察。育成的海岛棉不育系,虽然核背景由陆地棉被置换成了海岛棉,但败育的基本特征没有发生明显改变:“海A”的败育时期主要在小孢子母细胞减数分裂时期,花药无花粉粒,具有败育早、稳定和不受环境影响的特点;“海A”与陆地棉恢复系杂交,杂种F_1与海岛棉相比花粉育性好,结铃率高,铃重增大,衣分提高。“海A”在海岛棉与陆地棉种间杂种优势利用中具有良好的利用前景。 对改良的陆地棉恢复系及用其配制的杂交种的田间试验表明:通过复交和人工逆境筛选,得到的育性稳定性好,恢复程度好的改良的陆地棉恢复系与原始的“陆R”相比,植株结构都得到了改善,多数在产量水平上没有得到显著的提高,在纤维品质上也只有纤维强度有一定的提高。而用改良的陆地棉恢复系配制的杂种,植株结构较“抗A×陆R”要好,多数在产量水平上显著的高于“抗A×陆R”,有的还达到和超过了“鲁棉研15”的水平,纤维品质上与“抗A×陆R”水平相当。这说明用人工逆境筛选的办法来选育恢复系还是可行的,同时也说明利用与海岛棉杂交的办法来改良陆地棉恢复系的纤维品质是很困难的。 对海岛棉恢复系育性恢复基因的遗传分析表明:海岛棉恢复系中的育性恢复基因是孢子体遗传的,由一个主效显性基因控制。在恢复基因呈隐性时不育胞质不但对雄配子的传递有影响,而且对雌配子的传递也有影响。此海岛棉恢复系的育性恢复基因很可能来源于哈克尼西棉基因组。 2.细胞质雄性不育海岛棉与陆地棉种间杂种优势的表现 通过对细胞质雄性不育海岛棉与陆地棉种间杂种和陆地棉种内杂种的两年三次重复随机区组田间试验,表明:细胞质雄性不育海陆种间杂种在株高、果枝数、果节数、单株结铃数和不孕籽率上显著地高于陆地棉种内杂种,但单铃重和衣分则显著地低于陆地棉种内杂种,单铃重前者最高为4.39g,后者最低也有4.69g。多数海陆种间杂种的皮棉产量显著低于陆地棉种内杂种,但也有个别组合,如“抗A×海R3”的籽棉产量与对照“鲁棉研15”的产量没有显著差异。在品质性状方面,海陆种间杂种在纤维长度、整齐度、比强度和伸长率都显著的好于陆地棉种内杂种,尤其是纤维长度、比强度和伸长率,前者最高分别达到36.06mm、37.63cN/tex和7.20%。 对海陆杂种、陆陆杂种、海岛棉以及陆地棉材料间的光合指标性状和花药相关生理性状的研究结果表明:海陆杂种的光合性能与陆地棉类型的差异不明显,光合性能主要跟棉花自身的基因型有密切的关系。海陆杂种有很强的花粉育性。在花粉育性都正常的情况下,不同材料的花粉育性与其花药淀粉含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量的关系不大。选育光合效率相对较高的海岛棉亲本,对于提高海陆杂种的光合性能将有一定的帮助。 对(陆地棉不育系×海岛棉保持系)×陆地棉恢复系和陆地棉不育系×(陆地棉恢复系×海岛棉恢复系)两种类型的海陆三交种组合的田间试验表明:海陆三交种营养生长旺盛,铃重和衣分明显低于陆地棉种内杂种,因而籽棉产量和皮棉产量均较低,三交种组合并没有因为陆地棉成分的增加而产量增加,反而由于海陆三交种的分离使得其纤维品质没有表现出如海陆杂种一样的显著优势。因而,通过应用海陆三交种,利用增加陆地棉基因组成分的办法来提高杂种的铃重和衣分,在不降低海陆杂种纤维品质的情况下来提高海陆杂种的产量的设想,目前还很难实现。 3.细胞质雄性不育海岛棉与陆地棉种间杂种优势相关机制的研究 由56个RAPD和66个SSR分子标记的多态性位点计算的13个海陆杂种和陆陆杂种亲本间的遗传距离,能够清楚的将海岛棉和陆地棉分别区分为两个类别。基于RAPD数据的遗传距离(GD_(rapd))和基于SSR数据的遗传距离(GD_(ssr))间显著相关(r=0.503,p≤0.05)。分子标记确定的遗传距离与陆地棉种内杂种以及陆地棉与海岛棉种间杂种表现和杂种优势的相关分析表明:在陆地棉种内,遗传距离与杂种几个性状的表现几乎都不相关,而在海岛棉和陆地棉种间,遗传距离与杂种纤维长度、纤维强度和伸长率的表现显著正相关;在陆地棉种内,遗传距离与铃重的杂种优势显著正相关,与纤维长度和伸长率的杂种优势显著负相关,而在海岛棉和陆地棉种间,遗传距离与纤维长度的杂种优势显著正相关。说明棉花基因组的杂合性同其杂种优势间的关系是很复杂的,用分子标记来检测棉花亲本材料间的杂合性从而来预测其杂种优势,目前还不能完全实现,还需要更加深入细致的研究。本实验中根据GD_(ssr)与海陆杂种纤维长度的关系可在海陆杂种选育中来预测海陆杂种的纤维长度。 应用实时荧光定量PCR技术,选取棉花纤维伸长和加厚时期的一些已经克隆的功能基因,对纤维发育10 DPA(Days Post Anthesis)纤维细胞中与细胞壁物质合成相关的基因内木葡聚糖转移酶基因(EXT)和β-1,4-内葡聚糖酶基因(E14G);与渗透压形成有密切关系的蔗糖合成相关的蔗糖合酶基因(SuSy),运转蛋白相关的delta-类液泡膜内蛋白基因(MIP),能量代谢相关的焦磷酸化酶基因(VPP),磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶2基因(PEPC2)和质膜H+-ATPase基因(PMA);以及细胞骨架相关基因肌动蛋白1(ACT1)在不同的材料类型(海陆杂种、海岛棉和陆地棉)间的表达量的差异进行了分析。同时也对纤维发育24 DPA纤维细胞中与细胞壁物质合成相关基因β-1,3-内葡聚糖酶(E13G)和纤维素合酶1(celA1)在不同的材料类型间的表达量的差异进行了分析。还对相关基因在不同材料中的表达量与不同材料中相关的纤维品质的关系做了相关分析。结果发现:EXT和E14G在海陆杂种类型中的相对表达量最高,在海岛棉类型中的相对表达量较低,陆地棉类型中最低,这与10 DPA不同类型材料的纤维长度的趋势基本相同。说明细胞壁物质合成相关基因表达程度的强弱对纤维的长度有决定性的作用。SuSy在海陆杂种类型和海岛棉类型中的表达量明显高于陆地棉类型(约为陆地棉类型的3~4倍),这与在这个时期蔗糖合酶在海岛棉纤维中的含量高于陆地棉的结果一致。MIP在海岛棉类型和陆地棉类型中的表达量相当,在海陆杂种类型中则是两者的两倍。VPP、PEPC2和PMA都是海陆杂种类型的相对表达量最高,海岛棉类型的相对表达量较低,陆地棉类型最低,这可能跟不同的纤维长度,在伸长时有着不同的能量代谢需求有关。ACT1在海陆杂种类型中的相对表达量最高,在海岛棉类型中的相对表达量较低,陆地棉类型中最低,与不同长度的纤维伸长过程中对细胞骨架蛋白的要求相一致。E13G和celA1在海陆杂种类型和海岛棉类型中的相对表达量明显高于陆地棉类型,说明纤维强度的形成与细胞壁物质合成相关基因表达量的大小有关。10 DPA各基因的相对表达量与不同时期纤维长度间均显著相关,说明影响纤维伸长的关键因子的表达情况直接影响到各时期的纤维长度。24 DPA与细胞壁物质合成相关基因E13G和celA1的相对表达量与成熟纤维的纤维强度极显著相关,说明细胞壁物质合成相关基因的表达程度与纤维强度之间有着密切的关系。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S562

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