湖南轉基因棉花品種的選育與應用

在5月的“75”期間，中國開始研究蘇云金芽菌殺死蛋白質基因的分離和轉殖植物。作為中國最南端的商品棉制造商之一，湖南省棉花種植面積穩定在13.33萬公頃左右。通過該省轉移的bt基因棉湘k-5和農業混合62的雜交品種主要用于轉移。其他品種包括新棉29、新棉33b、南銀4號、南農98-4補充。2002年推廣種植轉基因抗蟲棉約3萬hm2,2003年達到了7萬hm2,約占全省植棉面積的50%,取得了顯著的經濟、社會和生態效益。1發展雜交棉花的潛在趨勢1.1湖南農業系統選育湖南省基因工程棉大致經歷了三個發展階段:從20世紀80年代起開展利用外源DNA直接導入建立棉花遺傳轉化體系;“九五”重點發展雜種優勢利用技術和外源DNA導入技術,湖南農業大學采用花粉管通道法將外源DNA成功地導入到了陸地棉品種中,經系統選育育成了湘棉12號;“十五”期間湖南棉花育種攻關第一次將生物技術與常規育種結合選育棉花新品種列為重點攻關,通過加強集成、聯合攻關、引進與自主創新相結合,提高了棉花生物技術的研發頻率,主要采用花粉管通道法、農桿菌介導和雜交回交轉育等方法,先后選育了湘K-5、農雜62等強優勢組合。1.2關于轉移抗蟲雜交棉花的研究1.2.1結鈴性和毒蛋白湖南省棉花科學研究所1996年與中國農科院生物技術研究所合作導入并培育了擁有自主知識產權的單抗、多抗基因材料多份,現有Y28、Y35、Y47、Y98、Y100等20多份材料基本穩定并正在用于雜交選配;與中棉所合作導入獲得的N-1、N-2、N-3、N-4、N-8等5個株系,均表現結鈴性強,單鈴重稍有降低,衣分顯著提高,麥克隆值降低;特別是2000年湖南省棉花科學研究所與中國科學院植物所合作,由中科院植物所提供Bt+GNA(GNA抗蚜蟲基因)雙價基因,采用花粉管通道法導入到2個核心親本材料中并獲得了5個穩定的轉基因雙價抗蟲棉材料,育成了“湘抗EN-1～5”等5個較好的株系材料。2001年由中國科學院微生物研究所通過PCR檢測,證實了雙價基因已成功導入棉花植株,并較Bt基因多一段信號肽,分子量偏大,以區別其它轉基因棉花材料。2002年進行了ELISA測試,導入的3個雙價抗蟲棉材料湘抗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33B的1233.11ng·g-1。2003年申報國家安全性評價中間試驗并獲得了批準。1.2.2湖南及其他長江中游棉湘K-5是湖南省棉花科學研究所利用具有自主知識產權的“國抗棉1號”選系為父本與本所選育的高產、優質、抗病V23為母本選育出的強優勢轉基因雜交棉組合。已通過2000-2002年的長江流域棉花品種區域試驗與生產試驗,2000-2001年長江流域區域試驗中,子、皮棉產量分別為每公頃3705kg和1537kg,比對照(泗棉3號)分別增產19.11%和11.31%。2002年的長江流域生產試驗中子、皮棉產量分別為3696.6kg和1521kg,比對照(各省的主栽品種)分別增產15.1%、13.39%。纖維品質:2.5%跨長為30.05mm,比強度為33.82cN·tex-1,麥克隆值為4.7,氣紗品質1997.5分。湘S26是湖南省棉花科學研究所培育的一個集優質、高產、抗病蟲三位一體的轉基因雜交組合。該組合已通過2002-2003年的湖南省棉花區域試驗。2002年區試皮棉產量達1740.9kg·hm-2,比對照增產12.5%,增產極顯著。2003年皮棉產量1550.9kg·hm-2,比對照增產9.78%,增產極顯著。2.5%跨長為32.27mm,比強度為35.7cN·tex-1,麥克隆值為4.45,紡紗均勻性指數159。纖維品質優良,可紡60支紗,符合國家將湖南及長江中下游棉區定位為50～60支紗的區劃方針。農雜62是湖南農業大學棉花研究所利用引進的墨西哥抗蟲種質資源與當地大面積推廣品種雜交選育的轉基因抗蟲組合,多年多點平均皮棉產量1800kg·hm-2以上,比中棉所29、泗棉3號、南抗3號均顯著增產,比湘雜棉2號增產10%以上。纖維品質:2.5%跨長為30.48mm,比強度為34.02cN·tex-1,麥克隆值為4.7,氣紗品質2079。1.2.3長沙棉田棉田生長情況①“海洞”核不育系:采用雜交回交轉育的方法,將隱性的“海洞”核不育系轉育成轉基因抗蟲“海洞”核不育系,并獲得穩定的核不育系材料。目前湖南省棉花科學研究所已選育出湘C-21～C-25等一批高優勢組合參加各級試驗,特別是湘C-21在2003年湖南省棉花區試中,其產量和品質表現均較好,比對照中棉所29增產極顯著,有望近年內育成湖南省首個具有自主知識產權的轉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A3”棉花轉基因胞質不育三系研究:湘遠A1、湘遠A2棉花胞質不育系是湖南省棉花科學研究所從海島棉與陸地棉進行雜交,回交穩定后,從后代中選出的不育株與瑟伯氏野生棉雜交育成的豐產湘遠A和抗病湘遠A2兩個胞質不育系,又從遠緣雜交后代中選育出了恢復系湘H1、湘H2、湘H3。1997年采用雜交回交轉育選擇相結合的方法,目前已育成湘遠A3轉基因抗蟲胞質不育系、保持系、恢復系并實行三系配套,正在進行組合篩選。2限制湖南棉紡織發展的因素2.1生物學和生物學受設備條件、人員和研發經費投入不足等影響,目前湖南轉基因棉以花粉管通道法、基因槍法為主,而對PEG介導法、脂質體介導法、超聲波法、激光微束法、電泳法等物理、化學和生物學方面的方法很少涉及,大大限制了轉化效率的提高,以致研究水平低,差距大,創新性成果相對少,進展較慢。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、棉花雜種優勢基因、抗逆基因、纖維改善等基因應用是一片空白。而且長期種植單一類型轉基因棉將導致目標害蟲易產生抗性和非靶標害蟲易變為主要害蟲,以致帶來嚴重的生態后果。因此。培育雙價或多價的轉基因棉,以提高功能基因的功效時間,減緩退化是今后一段時間研究的重中之重。2.3對非目標昆蟲及人類重要動植物的門診量眾所周知,Bt作為一種殺蟲生物制劑,已在作物生產中安全地使用了約40年,證明對人畜無害。且Bt菌形成芽孢時產生的殺蟲晶體蛋白對不同的昆蟲有很強的專一性,未發現對非目標昆蟲及人畜等哺乳動物有害。因此,建議只對基因進行安全性評價,不需對所轉育的每個品種進行安全性評價,同時一個轉基因棉品種安全性評價周期大約6～7年,大大抑制了新品種的審定與產業化推廣。2.4利用優質的品種推廣受體選擇應考慮兩個方面,一方面要獲得高效穩定的再生植株,另一方面要結合選育的品種具有潛在的推廣應用價值。目前開發出的各種功能基因較多,對受體有一定的專一性,很多育種單位對各種基因的受體選擇隨機性、盲目性大,影響選育效果和利用價值,浪費了大量的人力與物力。2.5岱字棉公司的成立生物技術與傳統育種相結合是21世紀棉花科研的熱點與難點,必須要有熟悉生物技術和懂傳統育種的綜合性人才,才能有效開展此項工作;⑥美棉的沖擊,美國岱字棉公司以經營產量高,品質優,綜合性狀好的品種新棉33B和新棉99B,并采取種子“繁供銷”的市場體系和全程的社會化服務,先后在我國成立了合資企業“冀岱棉種公司”、“安岱棉種公司”。而且在湖南省正準備成立“湘岱棉種公司”。面對急劇變化的國內外市場發展的新形勢,湖南棉花能否與國內外市場競爭,走一條可持續發展的道路,其實質在于進一步加大轉基因的育種力度和規范安全性評價制度。3一些建議3.1選育抗蟲棉品種目前當務之急是把已轉化成功的轉基因抗蟲棉新品系、新組合盡快擴大繁殖,并與常規育種相結合,培育出適應我國不同生態類型、不同熟制和符合紡織工業要求的多種類型的抗蟲棉品種。而且要加快審定并在生產中進行試驗示范和應用推廣,為棉花持續穩定發展發揮作用。3.2發展結構上,應重視基因材料和品種的選擇“十一五”期間,要從戰略角度出發,采取各種形式加強與上游生物技術研究單位及國際合作與技術引進,集會各方面優勢力量,做到強強聯合、優勢互補,廣泛深入開展分子生物學研究,分離、克隆和合成新的抗蟲、抗病等多種抗逆基因,并進行遺傳轉化,以保持關鍵領域的持續創新能力,確保湖南省棉花生產高速發展。因此,當前應該高度重視基因工程棉與常規育種的結合問題。一方面,只有受體材料的高起點,才有轉基因產品的高價值?；蚬こ萄芯咳藛T應高度重視轉基因受體材料的篩選,通過與實力雄厚的科研育種單位合作,及時掌握雜交棉研究最新動態,盡可能選用最新最優良的超高產核心親本材料進行遺傳轉化,以確保獲得的轉基因品系能在生產上直接發揮重要作用。另一方面,常規育種科技人員也應該高度重視現代基因工程在解決常規育種面臨的重大難題方面的強大威力,主動將配合力突出的核心種質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、優質、多抗、早熟”育種目標。3.3加強長沙棉花生物技術的研發和研究與常規育種結合建立湖南棉花生物技術育種平臺,調整棉花生物技術產業的研發態勢,形成以高等院校、研究所為中心的研發體系,形成具有湖南特色的棉花生物技術產-學-研技術體系,不斷提高產業技術水平和競爭力,培育出適合湖南省及長江流域棉區的高產、優質、多抗的基因工程棉花品種。3.4抗蟲棉對藥物系統的影響從個體生態學、種群生態學、群落生態學、系統生態學的角度深入研究害蟲對轉基因抗蟲棉的適應機制、轉基因抗蟲棉對生物群落結構和功能的影響,從而建立相應的管理策略和技術體系。同時應用分子生物學、遺傳工程等高新技術,開展和加強目標害蟲成災機理和控制的基礎研究,以發展與環境相容的害蟲控制新戰略和新方法。3.5新技術的應用加強新品種配套的“優質豐產高效栽培技術”、“立體種植增收技術”、“降低成本增效技術”、“棉花規模化、區域化種植技術”、“棉花信息化技術”等各種新技術,深入研究影響轉基因棉產量、品質形成的最顯著因子,根據農業系統工程學原理與方法,利用計算機