CN1284861C

CN1284861C - 短季棉早熟不早衰性状的生化标记辅助育种技术

Info

Publication number: CN1284861C
Application number: CN 200310110227
Authority: CN
Inventors: 喻树迅; 宋美珍; 范术丽; 原日红; 黄祯茂
Original assignee: Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: CN1582637A

Abstract

本发明提供了一种短季棉早衰不早衰性状的生化标记辅助选择方法。发明涉及的生化标记为超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)和丙二醛(MDA)含量，其选择方法是选择早熟不早衰亲本进行杂交，以SOD、POD、CAT三种酶关键时期活性的相对高低作为选择标记，对杂交后代的群体从F2代起进行选择，结合常规育种技术，选育出了早熟不早衰、青枝绿叶吐白絮的短季棉花系列品种中棉所16、24、27和36。该技术克服了常规育种选择周期长、受环境条件影响大、耗时费力、选择效率低等缺点。有效缓解早熟与早衰的遗传正相关、早熟与优质、抗病的遗传负相关，集早熟不早衰、优质、高产和抗病为一体。

Description

短季棉早熟不早衰性状的生化标记辅助育种技术

一、技术领域

本发明涉及农业科技领域的农作物育种方法，用于在杂交后代群体中选择早熟不早衰、青枝绿叶吐白絮的短季棉新品种。

二、背景技术

短季棉品种的选育成功，为解决我国棉区长期以来粮棉争地、争季的矛盾，提高棉田的经济和生态效益开辟了广阔的前景，由于短季棉可以避开棉花苗期的低温和病虫害，省工、省投资，经济效益显著，深受棉农的欢迎。

在短季棉育种过程中存在的主要问题是协调好早熟和早衰的关系，早熟性是实现麦(油、菜)棉两熟的关键，但是早熟棉花品种往往伴随着早衰，早衰严重影响了棉花的铃重、衣分和纤维品质，给产量带来严重的损失，生产急需要选育早熟不早衰熟、优质、丰产的棉花新品种。

传统的短季棉育种对早熟不早衰性状的选择是在不甚明了基因背景的条件下，通过杂交和各种育种技术，根据分离群体的形态表现和育种者的经验等对表现型选择，从而实现对早熟不早衰性状的改良。由于环境效应较易掩盖基因效应，因而育种者对早熟不早衰性状的选择是比较耗时和费力的。因此，迫切需要建立一个提高选择短季棉早衰不早衰性状效率和精确度的方法。

1941年，美国遗传学G.W.BeaDle和生化学家E.L.Tatum通过研究红色面包霉的生化突变型，对一系列营养缺陷型进行遗传分析，提出了“一个基因一个酶”的假说，创立了生化遗传学。1959年C.L.Markert和F.Moller根据对几种动物乳糖脱氢酶的多种形式的研究，提出了用同工酶(isozyme)一词来描述具有同一底物专一性的为同分子形式的酶，并证实了同工酶具有组织、发育及物种的特异性。因此可以作为一种遗传标记加以利用，并可以将编码酶的基因通过遗传分析定位在染色体上，又叫生化标记或蛋白质标记。蛋白质是基因表达的产物，与形态性状、细胞学特征相比，数量上更丰富，受环境影响更小，能较好的反应遗传多态性，因此蛋白质标记是一种较好的遗传标记，已被广泛应用于物种起源和进化研究、种质鉴定、分类和抗病性筛选等领域。

通过对不同类型的短季棉品种进行分析发现，与短季棉早熟不早衰有关的生化物质主要有抗氧化系统酶(SOD、POD、CAT)、氧化产物之一丙二醛含量和激素(IAA、ABA)含量。对不同品种这些生化物质在棉株生长发育时期的变化及遗传特性进行分析表明，短季棉在发育进程中，超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和丙二醛(MDA)含量与早熟不早衰密切相关，并且受环境条件影响小，因此，将这4种生化物质确定为短季棉早熟不早衰的生化遗传标记。根据这四种生化遗传标记与短季棉发育进程的关系，SOD和POD酶适于棉花发育的花铃期进行选择，CAT酶和MDA含量适于棉花发育的吐絮期进行选择。选择大面积推广的短季棉品种早熟早衰类型、早熟不早衰类型、晚熟类型三种，进行早熟不早衰的生化物质的变化规律研究。结果表明：

SOD酶活性：为了探讨三种类型的衰老特性与SOD酶之间关系，我们研究了叶片在暗处理过程中SOD酶的变化。结果表明衰老与SOD酶活性存在负相关。暗处理分0、5、11天。暗处理0、5天SOD酶的活性大小依次为晚熟类型、早熟不早衰类型、早衰类型，分别为177.3、149.7和144.2unit/gFW，早熟不早衰类型的品种明显优于早衰类型品种和晚熟类型品种，暗处理11天早熟不早衰类型和晚熟类型品种的SOD酶活性最高，早熟早衰类型最低。测定大田真叶SOD酶活性，早熟不早衰类型品种的SOD酶活性前、中、后期均高于早熟早衰类型品种，说明早熟不早衰类型品种SOD酶括性强且稳定，而早衰类型品种SOD酶活性低且不稳定，晚熟类型品种前期SOD酶活性居首位，后期次于其他类型品种。

POD酶活、CAT酶活早熟不早衰类型品种、晚熟类型品种在棉株生长的前、中、后期均高于早熟早衰类型品种。

总之，早熟不早衰类型品种叶绿素、蛋白质降解慢，SOD、POD、CAT酶活性强，说明该品种抗氧化系统保护酶能及时清除自由基，保护细胞器、核酸、蛋白质等物质免受伤害，使棉株本身能充分发挥其潜能，充分利用光、温和水，使棉株在有限的生长发育期内既早熟而又不过早衰老。

三、发明内容

本发明的目的是筛选一个或几个与短季棉早熟不早衰性状密切相关且受环境影响较小的生化标记，将这些标记用于短季棉早熟不早衰性状的育种过程中，可以加快短季棉新品种的选育进程，选育出早熟不早衰、优质、丰产的棉花新品种。

确定早熟不早衰品种的生化物质的相对选择标准，(1)选择范围：在亲本选配方面，选择早熟不早衰品种作亲本；在杂种后代鉴定方面，POD酶活的选择应在品系的早代进行，CAT酶活、SOD酶活、MDA含量的选择应在品系的高代进行。(2)选择酶活量：早熟不早衰品种的CAT酶活和POD酶活较早衰品种高30～50％，SOD酶活较早衰品种高5～8％，MDA含量较早衰品种低6～10％。根据该标准来选择早熟不早衰的亲本和后代材料。(3)选择时间：在棉株生长发育时期对CAT酶活、POD酶活、SOD酶活选择应在8月24日以后进行，对MDA含量的选择可在8月3日-17日。

通过生化标记育种技术选育了中棉所16、24、27和36等短季棉新品种。这些品种生育期仅为110天左右，霜前花率90％以上；棉株体内延缓衰老生化物质的活性高，在全生育期进程中，该系列品种的抗氧化系统酶(POD、SOD和CAT)活性始终高于早衰棉花品种，而导致早衰的氧化产物丙二醛(MDA)含量比早衰品种低，从而延长叶绿素的功能，提高光合作用效率；表现丰产性突出，全国夏棉品种区试霜前皮棉产量较对照中棉所16增产14.6％～24.7％；纤维品质综合指标优良，比强度较对照提高1.4～2.8cN/tex，达到33.1cN/tex以上，可纺60支精梳棉纱；抗逆性强，该系列品种均达到高抗枯萎病、抗黄萎病水平，并兼抗根腐病、叶斑病和抗棉蚜等多抗特性。

四、具体实施方式

在棉株体内的生化物质的最佳选择时期：

由浙江大学朱军教授的加性-显性-母体效应模型(ADM)分析计算，在8月3日-9月3日这个花铃期时间段内，不同酶的酶活表达量不同，根据该酶在某一期表达量较大，且能稳定遗传给后代，来确定该酶的最佳选择时期。

CAT酶活母体效应在这个时间内都很明显(遗传方差比率为4.13％～42.63％)，达极显著水平，并随着棉株的生长发育，显性效应逐渐增加，至8月24日以后最大(遗传方差比率为61.73％)，达极显著水平，而加性效应较小，至9月3日才测到加性效应(遗传方差比率为27.41％)。

POD酶活在8月3日～8月17日这个时间段内以显性效应为主(遗传方差比率为62.81％～72.70％)，达极显著水平，8月17日以后即棉株生长后期(9月3日)以母体效应为主(遗传方差比率为16.81％～45.44％)，在8月24日以后加性效应才检测出来(遗传方差比率为43.03％～27.30％)。

SOD酶活在这个时间段内以母体效应主，母体效应随着棉株的衰老越来越明显(遗传方差比率为16.82％～40.13％)，达极显著水平；显性效应在8月17日达最大，为64.82％，以后逐渐降低，至9月3日，SOD酶活显性效应又较明显；随着棉株的衰老，SOD酶活加性效应至9月3日才检测到，为18.51％，达显著水平。

丙二醛(MDA)含量的遗传变化，表明MDA含量在这个时间内以母体效应为主(遗传方差比率为19.31～46.87％)，一直处于极显著水平；其次为显性效应(遗传方差比率为7.70～45.80％)，随着棉株的衰老显性效应逐渐增加；MDA含量也存在着一定的加性效应，在8月3日和8月17日最大，分别为37.51％和58.62％，达极显著水平。

由此，在8月3日-9月3日这个花铃期时间段内，对抗氧化系统酶(CAT、POD、SOD)选择最好在8月24日以后进行，而对MDA的选择在8月3日～8月17日，这样选择效果较好。

以利用本发明选育的中棉所24和27来介绍进行实施方案：

亲本选配：收集国内外优良种质、鉴定、筛选可利用的优良材料。选择综合性状优良早熟不早衰品种为亲本，尤其选择早熟不早衰品种做母本。中棉所24以丰产、抗病、适应性广的早熟不早衰品种中343为母本，以高强力的优质材料(中10×美B早)n代为父本进行杂交，将美国品种的高强、优质性状转入国内自育中间材料，使之重组，育成早熟不早衰、优质、多用型的新种系中621。中棉所27以具有美B早为亲缘的早熟优质新品系中0710为母本，与出苗快、长势旺、抗病性好的中5427为父本杂交，杂种后代进行南繁加代和异地选择。

后代选择：在F₂～F₃分别进行POD酶活的选择，F₄～F₇分别进行CAT酶活、SOD酶活、MDA含量的选择。选择标准根据早熟不早衰品种的CAT酶活和POD酶活较早衰品种高30～50％，SOD酶活较早衰品种高5～8％，MDA含量较早衰品种低6～10％。同时采用生态适应性鉴定。高世代品系同时在黄河流域、西北内陆棉区进行不同生态区生态适应性鉴定。同时进行抗病锻炼与选择。F₂代在本所试验地和病圃进行抗性锻炼，增加选择压力；F₃、F₅代在海南加代并选育，选择目标以早熟为前提，兼顾铃数、铃重与衣分诸因素的协调与多菌系下的抗性表现。从而确定早熟不早衰新品系中621和中5427参加全国和不同省的区域和生产试验，两品系都表现早熟不早衰、优质、高产、抗病，通过全国和河南省审定。

生化标记的测定方法：见中国农业科学院“硕士学位论文”关于“短季棉早熟不早衰生化机制及遗传研究”论文中第11页关于“2.3生理生化测定”一节。

Claims

一种短季棉早熟不早衰性状的生化标记辅助育种方法，其特征在于：确定早熟不早衰品种的生化物质的相对选择标准：

(1)选择范围：在亲本选配方面，选择早熟不早衰品种做亲本；在杂种后代鉴定方面，POD酶活的选择应在品系的早代进行，CAT酶活、SOD酶活、MDA含量的选择应在品系的高代进行；

(2)选择酶活量：早熟不早衰品种的CAT酶活和POD酶活较早衰品种高30～50％，SOD酶活较早衰品种高5～8％，MDA含量较早衰品种低6～10％，根据该标准来选择早熟不早衰的亲本和后代材料；

(3)选择时间：在棉株生长发育期对CAT酶活、POD酶活、SOD酶活选择应在8月24日以后进行，对MDA含量的选择应在8月3日-17日。