Bt基因导入对棉花农艺性状的影响

刘剑光,肖松华,狄佳春,陈旭升,许乃银,黄骏麒

(江苏省农业科学院经济作物研究所,南京 210014)

摘要:从棉花产量、纤维品质和抗虫性状等六个方面比较系统地阐明了Bt基因导入对棉花农艺性状的影响。这些效应具体表现为:结铃性、纤维比强度和抗虫性提高;单株果枝数、单株果节数、棉铃长度、棉铃体积、棉铃经济系数、铃重、衣分、纤维长度和麦克隆值下降。Bt基因导入引起的结铃性增强效应与铃重、衣分减弱效应相平衡,使转Bt基因棉GK-12与受体品种泗棉3号的皮棉产量持平。同时棉铃外形由圆锥形突变为卵圆形,铃柄长度大幅度增加。GK-12与泗棉3号的杂种一代在植株形态性状、产量性状和棉铃经济性状上具有明显的杂种优势,其杂种优势表现的遗传基础来源于生态型和选择方向的差异。

Bt基因是培育转基因抗虫棉过程中最早导入的外源抗虫基因,转Bt基因棉品种已经在美国、澳大利亚和中国等国家先后实现商品化。然而利用基因工程技术获得的转Bt基因棉品系在产量、纤维品质等性状上,与其受体品种存在显著差异。相关研究报道存在着一定的分歧,原因在于研究过程中所采用的试验材料不同。为了客观地评价Bt基因对棉花农艺性状的影响,本研究以转Bt基因棉、受体品种和两者的杂种一代为供试品种,在遗传背景相同的情况下,揭示Bt基因位点上的差异对棉花农艺性状表现所产生的效应,为转Bt基因棉抗虫种质系的育种利用奠定理论基础。

1 材料和方法

试验于2001年在江苏省农业科学院试验田内进行。以采用花粉管通道法将Bt基因导入泗棉3号并结合分子检测、抗虫性鉴定和系统选育获得的GK-12,受体品种泗棉3号以及(泗棉3号×GK-12)F1为参试品种,随机区组排列,重复3 次,小区面积20m2,密度每公顷3.6万株。田间管理按照高产栽培的要求实施。盛蕾期由江苏省农业科学院植物保护研究所进行抗虫性鉴定,具体方法由束春娥等[1] 建立;同时参照陈松等建立的ELISA法[2]测定盛蕾期功能叶片的Bt毒蛋白含量。成熟期调查株高、单株果枝数、单株结铃数等性状,室内考种考察单铃重、衣分、子指、衣指等指标;棉样送农业部棉花品质监督检验测试中心测定纤维品质。

2 结果与分析 

2.1  Bt基因对棉花形态性状的影响

除Bt基因位点外, GK-12与泗棉3号的遗传组成相似, 两者是一对近等基因系。 大田比较试验结果表明, GK-12的株高明显低于泗棉3号, 单株果枝数、 果节数少于泗棉3号, 营养生长不及受体品种,表现为植株变矮, 株型紧凑(表1)。Bt基因在棉花整个生育期内全程表达,GK-12棉株体内Bt基因的转录和翻译都要消耗光合产物的积累和矿物质营养,使营养生长减缓;泗棉3号缺乏Bt基因表达这一生理生化过程,能够继续保持较高的营养生长水平。(泗棉3号×GK-12)F1在株高上介于父、母本之间,而单株果枝数、果节数都超过双亲,具有一定的杂种优势,GK-12是由山东省梁山县种子部门利用系统育种的方法,从Bt基因导入泗棉3号的种质系中选育而成,泗棉3号为长江流域棉区大面积推广品种,长期的异地选择使GK-12适应了山东省特定的生态环境,以GK-12和泗棉3号为亲本配制F1,其杂种优势来自双亲生态型和选择方向的差异。

表1  Bt基因对棉花形态性状的影响

品种或组合

株高/cm

单株果枝数/个

单株果节数/个

GK-12

85.67

15.8

86.8

泗棉3号

101.80

16.0

90.3

(泗棉3号×GK-12)F1

98.86

17.2

94.9

2.2  Bt基因对棉花产量性状的影响

总铃数、铃重和衣分是构成棉花产量的三要素。在密度相同的情况下,总铃数取决于单株结铃数。成熟期单株产量性状考察结果,GK-12单株结铃比受体品种增加3.01个,成铃率提高4.67%;但铃重比泗棉3号降低0.74g,衣分下降6.41%(表2)。按小区实收产量折算,GK-12子棉产量较泗棉3号高,但由于衣分较低,皮棉单产与受体品种持平。这与国内外学者的研究结果基本一致[3]。室内考种结果表明,GK-12子指比泗棉3号增加0.2g,衣指降低1.3g。子指提高有利于改善种子活力和棉苗素质,但衣指大幅度下降导致增产不增收,这就是大多数转Bt基因棉工程株自交纯合选系不能直接应用于生产,必须通过常规育种程序进行衣分遗传改良的主要原因。GK-12与泗棉3号杂种一代在单株结铃数、铃重、子棉产量、皮棉产量等性状上皆超过双亲中任一方,在有效果节成铃率和衣分等性状上都大于双亲的平均值,从而说明杂种一代在产量性状上表现出明显的杂种优势。

表2  Bt基因对棉花产量性状的影响

品种或组合

单株结铃数/个

成铃率/%

铃重/g

衣分/%

子指/g

衣指/g

子棉产量/kg·hm-2

皮棉产量/kg·hm-2

GK-12

29.91

34.46

4.25

40.39

9.5

6.6

2671.2

1078.8

泗棉3号

26.90

29.79

4.99

46.80

9.3

7.9

2286.3

1069.95

(泗棉3号×GK-12)F1

31.58

33.28

5.25

44.11

9.0

7.0

3539.55

1561.2

在产量构成因素中,对产量贡献大小依次是铃数、铃重、衣分,而单株结铃数与单铃重之间、单铃重与衣分之间存在着遗传上的负相关[4]。统计分析结果表明,GK-12的铃重、衣分与泗棉3号存在显著差异。与泗棉3号相比,GK-12单株结铃数增加,但铃重、衣分同时降低,说明Bt基因的导入对这些性状的遗传基础产生了显著的影响。

2.3  Bt基因对棉铃经济性状的影响

棉铃是棉株的生殖器官,棉纤维是由胚珠外被单个表皮细胞分化发育而成。而棉纤维的起始分化、伸长和次生壁合成都需要通过铃壳运输养分,其脱水成熟也必须以铃壳开裂为前提,因而棉铃经济系数反映了铃壳内贮藏养分的转化效率,受到棉花科技界的普遍关注。棉铃经济系数是指单铃子棉重占棉铃总干重的百分率,转Bt基因棉GK-12的棉铃经济系数低于受体品种和两者的F1(表3),表明GK-12铃壳养分的利用率不及泗棉3号和杂种一代。在抗虫棉选育过程中,必须提高棉铃干物质转化效率,选择铃壳薄的棉铃类型,从而达到提高产量的目的。

表3  Bt基因对棉铃经济性状的影响

品种或组合

单铃子棉重/g

单铃铃壳重/g

单个棉铃总重/g

棉铃经济系数/%

GK12

4.25

1.32

5.57

76.30

泗棉3号

4.99

1.49

6.48

77.01

(泗棉3号×GK12)F1

5.25

1.34

6.59

79.67

    泗棉3号与GK-12的杂种一代,其单铃子棉重明显高于两个亲本,而单铃铃壳重较低,棉铃经济系数高于任何一个亲本,说明杂种优势不仅表现在器官建成和产量形成方面,而且也表现在干物质利用率上。

2.4  Bt基因对纤维品质性状的影响

吐絮高峰期的棉花纤维品质检测结果,与泗棉3号相比,GK-12纤维2.5%跨距长度下降;纤维比强度有较大幅度提高;而其它纤维品质性状无显著变化。就纤维品质总体而言,Bt基因的导入有利于棉花纤维品质的改善,这一结论与国内外学者的研究结果相似[3]。杂种一代纤维品质性状的表现与GK-12具有相同的趋势。

表4  Bt基因对棉花纤维性状的影响

品种或组合

长度/mm

整齐度/%

比强度/cN·tex-1

伸长率/%

麦克隆值

GK-12

29.2

83.7

24.8

5.5

4.8

泗棉3号

30.2

82.9

21.6

5.7

5.0

(泗棉3号×GK-12)F1

28.8

83.4

22.6

5.1

5.4

2.5  Bt基因对棉铃外观性状的影响

通过对GK-12、泗棉3号及两者杂种一代铃柄长度、棉铃长、宽度、棉铃体积的测定(表5),结果表明,GK-12铃柄长度达到6.6±0.2cm,为受体品种泗棉3号铃柄长度的4倍,这种现象在以泗棉3号为受体品种导入Bt基因获得的转基因抗虫棉品系中普遍存在,该性状可以作为GK-12、GK-19等具有泗棉3号遗传背景的转Bt基因棉识别的形态标记之一,杂种一代铃柄长度接近双亲的平均值,其内在机理及遗传方式有待于进一步研究。GK-12棉铃最大宽度与泗棉3号及两者的F1相近,但其棉铃最大长度明显小于

表5   Bt基因对棉铃外观性状的影响

品种或组合

铃柄长度/cm

棉铃长(cm)×宽(cm)

棉铃体积/cm3

GK-12

6.6±0.2

4.0×3.0

18.36

泗棉3号

1.7±0.3

4.8×3.1

25.41

(泗棉3号×GK-12)F1

3.9±0.4

5.0×2.9

26.08

 泗棉3号和杂种一代,GK-12棉铃外观形状为卵圆形,而泗棉3号和杂种一代为圆锥形;就单个棉铃体积而言,GK-12的棉铃显著小于受体品种及其F1,泗棉3号与杂种一代比较接近。综上所述,Bt基因通过花粉管通道法导入泗棉3号,引起铃柄长度增加,棉铃最大长度变短,棉铃体积缩小。

2.6  Bt基因对棉花抗虫性状的影响

我国二十世纪六、七十年代相继开展了棉花形态抗性育种和生化抗性育种,所选育的品种(系)对棉花害虫具有一定的抗(耐)性,但遇到某一害虫暴发的年份如棉铃虫大发生的1992年,这些品种无法承受过重的选择压力而失去使用价值。将外源Bt基因导入棉花获得转基因抗虫棉,Bt基因整合到棉花染色体组中,并能稳定遗传给后代。Bt基因的表达产物是一种杀虫蛋白,棉铃虫摄食转Bt基因棉组织如叶片、蕾、铃后,不久即中毒死亡。室内抗虫性鉴定结果表明,现蕾期GK-12对棉铃虫幼虫的致死率达到75.1%,显著地高于泗棉3号。盛蕾期GK-12功能叶片的Bt毒蛋白含量为682.56ng·g-1FW,而泗棉3号棉株体内检测不出Bt毒蛋白,说明Bt基因导入并整合到棉花染色体组中,能够显著提高棉株对棉铃虫的抗性。这一点也表现在两个品种蕾铃脱落率的差异方面,GK-12由于棉株体内含有Bt毒蛋白,抑制了一部分棉铃虫的危害,减少了因棉铃虫危害而导致的蕾铃脱落量,使蕾铃脱落率降低,单株结铃数增加(表6、表2)。

表6  Bt基因对棉花抗虫性的影响

品种或组合

蕾铃脱落率/%

棉铃虫致死率/%

Bt毒蛋白含量/ng·g-1

GK-12

65.54

75.1±13.1

682.56

泗棉3号

70.21

13.9±8.0

0

(泗棉3号×GK-12)F1

66.72

76.8±12.5

675.03

    GK-12与泗棉3号的杂种一代在蕾铃脱落率、功能叶片Bt毒蛋白含量及对棉铃虫的致死率等方面与抗虫亲本GK-12非常接近,表明Bt基因是按照显性基因的遗传方式在杂种后代中进行传递的,与肖松华等报道的研究结果相吻合[5]。

3 讨论

3.1  Bt基因导入对棉花不同农艺性状的影响存在差异

Bt基因是一种外源抗虫基因,通过遗传转化途径导入棉花染色体组并整合到DNA上,随着所在的染色体遗传给后代。本研究通过转Bt基因棉与其受体品种的比较,客观地反映了Bt基因导入对棉花农艺性状的影响。就不同的性状而言,Bt基因所施加的影响效应存在差异,在产量性状上,结铃性增强,铃重减小,衣分下降;在棉株形态性状上,株高、单株果枝数、单株果节数下降;在棉铃外观性状上,棉铃长度缩短,棉铃体积减少,棉铃外形变圆;在棉铃经济性状上,铃壳内养分的利用率降低,棉铃经济系数减小;在纤维品质性状上,使纤维长度下降,强度增大;在抗虫性状上,使棉花对棉铃虫的抗性显著提高。

3.2  转Bt基因棉与受体品种杂种优势表现的遗传基础

杂种优势表现的遗传基础在于双亲存在着较大的遗传差异,这些差异表现在亲缘关系、生态型和选择方向等方面。从理论上来说,转Bt基因棉GK-12与其受体品种泗棉3号仅在Bt基因位点上存在差异,两者的杂种一代不应该具有杂种优势的表现。但本研究的结果表明,两者的杂种一代在植株形态性状、产量形状和棉铃经济性状上存在着明显的杂种优势,原因在于GK-12是在山东省特定的生态环境条件下选育而成的,而泗棉3号的选育和良种繁育是在江苏省泗阳棉花原种场进行的,适应于长江中下游棉区特定的生态环境,两者的杂种优势来源于生态型和选择方向的差异。至于这种现象在其它转Bt基因棉与其受体品种之间是否也存在,有待于进一步的试验研究。

3.3  同步利用转基因抗虫性状和杂种优势实现棉花的高产、稳产

棉铃虫是棉花大面积生产的主要虫害,严重发生的年份导致棉花大幅度减产,与棉花枯、黄萎病一起构成棉花丰产的主要障碍因子。自从二十世纪八十年代泗棉2号、鲁棉1号等高产品种审定以来,棉花新品种选育在产量性状上进展缓慢,高产育种出现平台现象,育种成就突出表现在抗逆性和纤维品质的改良上[6]。利用杂种优势是实现棉花产量突破平台的有效途径,同时也是实现多个优良性状迅速重组的捷径。将转Bt基因棉的选育与棉花杂种优势利用有机地结合起来,同步提高棉花产量和抗虫性,使育成的新品种在生产实践中能够实现高产、稳产。

(来源:《中国棉花 》2003.03)