棉花育种：优质高产两相得
张军研究员在棉花田
对陆海远缘杂交优质种质“鲁原343”中渗入的的外源海岛棉优质基因的系统鉴定和利用研究
在前不久举行的山东省农科院首届科技成果拍卖会上，山东棉花研究中心研究员张军拿出了自家的一件“宝贝”——“鲁棉319”参与竞拍。
“‘鲁棉319’是山东省审定的第一个适宜轻简化种植的棉花新品种，非常适合轻简化、机械化种植，为促进山东省乃至黄河流域棉花生产轻简化、机械化提供了品种储备，市场应用前景巨大。”张军向《中国科学报》介绍。
事实上，这仅是张军及其团队诸多成果中的一个。他们历经20余年的不懈努力，从全基因组水平探究了棉花优异纤维品质性状形成的分子机制，建立了传统育种与现代分子育种相结合的棉花优质分子育种体系，育成的优质高产多抗棉花品种已经“飞雪冰冬暖万家”。
目标：棉花纤维品质改良
棉花是世界上重要的天然可再生纺织原料，种植历史悠久。如今，随着人们生活水平的日渐提高，对纺织品的需求不仅仅是保暖御寒，对决定舒适度的纤维品质的追求也不断提升。
“纺织品的舒适度是由纺纱支数决定的，纺纱支数越高，纺织品的舒适度越好。而纺高支纱要求棉纤维长度和强力分别达到30mm和30 cN/tex（纤维断裂比强度计量单位）以上。”张军解释说。
新中国成立以前，我国棉花品种纤维品质较差，1937年全国棉花纤维长度平均为21.6 mm，纤维强力也较低。随着棉花品种改良，棉花单产不断增加，纤维品质也不断提高，但是我国原棉品质还存在很多问题，远远不能满足纺织工业对中高品质原棉的需求。
张军表示，其一，我国棉花纤维长度不能满足纺高支棉纱的需要。高密高支纺织品以轻柔舒适特性为广大消费者所青睐，但生产60支以上的棉纱需要31mm以上长度的棉纤维，如果改用长绒棉会大幅增加成本，所以纺织企业只能选用进口棉。
其二，我国棉花主产区棉纤维的强力偏低，不能满足我国纺织企业生产高档纺织品的需要。我国主产棉区陆地棉的断裂比强度基本都在28cN/tex左右，新疆棉区有的甚至低至24cN/tex，严重制约着我国原棉的可纺性。
“纤维长度30mm和断裂比强度30 cN/tex（即通称的“双30”）以上的优质棉作为纺高档纱的专用棉，在国内市场缺口较大，纺织企业主要依靠进口维持生产。”他说。
如何打破优质棉长期依赖进口的局面，让老百姓既能穿得暖又能穿得舒适？张军和他的研究团队开始了漫长的求索之路。
突破：解析优质纤维形成的分子机制
棉花是一个大家族，其中有两个在世界上广泛种植的异源四倍体栽培种，即陆地棉和海岛棉。陆地棉因产量高、适应性广而被广泛种植，但其纤维品质一般。海岛棉纤维品质优异，但产量较低，仅占全球棉花种植面积的5%。我国也以种植陆地棉为主，新疆有少量海岛棉，又称长绒棉。
将海岛棉基因组中蕴含的优异纤维基因引入产量高、适应性广的陆地棉中，一直是棉花育种工作者努力追求的梦想。
团队成员王芙蓉研究员解释道，“陆海杂交属于远缘杂交，纤维品质很难稳定遗传，而且这些优异组分在导入陆地棉的同时，对产量等重要农艺性状带来了不利影响，即连锁累赘。利用常规育种手段很难实现棉花品质和产量的协同改良。”
利用与优质性状紧密连锁的分子标记辅助选择，让看不见摸不着的DNA可视化，可以大大提高育种效率。可是，面对无数的遗传密码，犹如大海捞针，如何找到与优质性状连锁的分子标记？
王芙蓉、陈煜和张景霞等团队人员首先构建各类遗传群体，通过在棉花全基因组范围内大量筛选标记，定位了纤维品质性状QTL（数量性状位点）。借助棉花基因组研究的最新成果，利用重测序技术开发SNP（单核苷酸多态性）和Indel（插入缺失）标记，精细定位纤维品质主效QTL，找到控制纤维品质性状的关键基因，开发了与优质性状紧密连锁的分子标记。
利用这些分子标记辅助选择，通过与轮回亲本连续回交，将携带的目标主效QTL定位到一个很小的染色体片段上，最大限度打破连锁累赘，形成了遗传背景相同的纤维长度、强力和衣分的单QTL片段置换系。育种评价发现这些主效QTL在不影响产量的前提下，显著提高了纤维长度和强力。
研究成果于2018年申报了3项国家发明专利，其中两项已获授权。“利用Chr.7单QTL片段置换系改良棉花纤维强力的分子育种方法”同时申请了美国、印度和巴基斯坦等3个世界主产棉国的国际专利，于今年7月获得美国专利商标局授权。相关理论研究相继发表在《植物生物技术杂志》等国内外学术期刊上。
实践：培育优质高产品种
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。团队没有把研究成果藏在实验室里，而是积极将其付诸于育种实践，培育优质高产品种。利用专利技术，将外源优异位点全面引入到陆地棉育种体系中，育成了“鲁棉338”“鲁棉312”“鲁棉392”和“鲁棉377”等系列高产、优质的转基因抗虫棉。
其中，“鲁棉338”于2018年通过山东省审定，同年在河北省和天津市引种成功，并转让给石家庄市民丰种子有限公司、山东银兴种业股份有限公司和山东鲁壹种业科技有限公司开发，成为黄河流域棉区的主栽品种。
“培育并推广适宜生产轻简化、机械化的棉花新品种，大幅度降低管理人工成本成为提高棉花种植效益的最重要环节。”张军表示。2019年，“鲁棉338”进行了机采棉试采，采净率达95%以上，适合作为机采棉品种推广应用。
“鲁棉312”“鲁棉392”和“鲁棉377”等已经获得黄河流域、西北内陆等我国主产棉区的转基因生产应用安全证书，正在参加各级区域试验。
“鲁棉312”“鲁棉392”皮棉单产均超过对照，纤维长度31.5mm以上、纤维断裂比强度33cN/tex以上、马克隆值A级，均达到了优质中长绒棉标准。
张军团队突破棉花优质与高产难以实现同步改良的育种技术瓶颈，创造了系列优异纤维种质，育成了系列高产、优质、多抗转基因抗虫棉，极大地提高了棉花优质育种效率，为实现棉花纤维品质与产量、抗性等多种农艺性状的同步改良提供了有力的理论和技术支撑。
尽管如此，他们并未满足。“我们会继续将稳步提高产量、协同改善品质和抗性作为主攻目标，重点培育适宜于棉花轻简高效生产需求的新品种，为‘三农’服务，为乡村振兴出力。”张军说。
相关论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.13237
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