棉花纤维品质分子育种的现状及展望

收稿日期:2000-07-15

基金项目

:国家自然科学基金(39830240),国家转基因专 项(J 992A 2023),教育部博士点基金

作者简介:张天真,男,博士,教授,专业方向:植物分子育 种,E -m ail :cgb rlnau @pub lic 1.p tt .js .cn ,T el fax : 25-4395307

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棉花纤维品质分子育种的现状及展望

张天真

(农业部农作物种质资源与育种重点开放实验室　南京农业大学农学系,

南京210095)

摘要:棉纤维是重要的纺织工业原料。随着人民群众对衣着要求的普遍提高,纺工部门引入高效快速的纺纱技术,对棉花品种的总体纤维品质,提出了更高的要求。目前国内外棉花育种家除了利用常规技术外,还大规模开展了棉纤维品质改良的分子育种研究。本文综述了国内外利用克隆出的棉纤维发育基因以及外源基因开展棉纤维品质改良的转基因育种和棉纤维优质基因的分子标记筛选和辅助选择育种的研究进展。同时,根据我国目前棉花品种品质水平、生产状况,提出了棉花品质育种策略。

关键词:棉花;纤维;品质;分子育种

中图分类号:S 562.033 文献标识码:A 文章编号:100227807(2000)0620321206

Presen t Sta tus and Prospect of

M olecular Breed i ng for Cotton F iber Qua l ities

ZHAN G T ian 2zhen (K ey L abora tory

of

C rop

Ger m p las m

&

B reed ing ,M in istry of A g ricu ltu re ,D ep a rt m en t of A g rono m y ,N anj ing A g ricu ltu ra l U n iversity ,N anj ing 210095,Ch ina )

Abstract :Co tton fiber is an i m po rtan t raw m aterial fo r indu stry .A s p eop le w an t better clo th ing ,and w eaving and kn itting facto ries u se h igher sp eed equ i pm en t ,good fiber quality is needed .In additi on to u se conven ti onal b reeding m ethod ,m o lecu lar b reeding strategy is also ex ten sively u sed to i m p rove fiber qualities in the

w o rld .

In

the p resen t

review ,

tran sgen ic

strategy u sing bo th co tton fiber developm en t genes and fo reign genes ,and m o lecu lar m arker assisted selecti on to

i m p rove

co tton

fiber

qualities

w ere

p resen ted .

Som e

b reeding

strategies to i m p rove fiber quality are suggested based on p resen t statu s of fiber quality and p roducti on conditi on in Ch ina .Key words :co tton ;fiber quality ;m o lecu lar

b reeding

近15年来我国育成的棉花品种产量略高于美国,纤维品质则有些差距。我国当家品种的纤维品质中等,基本能满足纺织工业的要求,但品质单一,纤维强度偏低,纺高支纱的优质棉需大量进口[1]。尽管利用常规育种手段育成了一些具有较好纤维品质的棉花品种,随着纺工部门引入喷气纺、气流纺等高效快速的纺纱技术,对棉花品种的总体纤维品质提出了更高的要求。目前,国内外对利用分子生物学手段改良棉纤维品质研究很多,取得了一些进展[7,12]。本文综述了棉纤维品质改良的转基因育种和分子标记辅助选择育种取得的进展。

1　棉花纤维品质的转基因育种现状

由于遗传转化的限制,棉花是基因工程研究起步较迟的一种农作物。随着棉花外植体培养植株再生成功,根癌农杆菌遗传转化途径很快就建立起来,并培育出大量的转基因品系。我国则成功研制出棉花花粉管通道法遗传转化体系,目前培育出的大量转基因品系都利用这一方法。棉花已成为世界范围内转基因植物大规模产业化成功开发的主要农作物之一。

1.1　棉纤维发育基因的克隆与品质改良

棉纤维是胚珠表皮单个细胞分化而来。所有的胚珠表皮细胞都具有分化成棉纤维的潜能,但最终只有30%可形成纤维。表皮细胞经细胞分化

棉花学报A cta Go ssyp ii Sin ica 2000,12(6):321～326

启始、伸长、加厚、脱水成熟四个阶段,其中,纤维伸长和加厚两个阶段有部分重叠[5]。棉纤维发育过程中,有数千个活跃的基因[13],棉纤维发育的分子机理研究起步较晚,但进展很快。

在棉纤维发育早期表达的基因对于棉纤维的分化和发育具有决定性的作用。很多学者认为,拟南芥叶片腺毛发育可能与棉花的纤维初始发育有相似的遗传机制。控制拟南芥根毛发育的CPC基因,控制腺毛发育的GL1基因都是类似于M YB 的转录因子。根据拟南芥腺毛基因GL1的序列,利用PCR技术,L oguerci o(1999)等从棉花胚珠c DNA库中分离出6个新的M YB基因。根据它们的结构特性,可分为A、D、G、J、N、O6类。M YB A、D、G在所有检查的组织中多表达,在胚珠和纤维发育中,它们的表达相对恒定,但开花后20d,转录水平显著下降。而M YB J、N、O表达的专化性强[43]。

棉纤维初生壁和次生壁合成期间克隆出的基因总结于表1。尽管这些基因都是棉纤维伸长发育期间专化表达,它们的功能并不十分肯定;而有些基因p FS17,p FS18等[29]的可能功能还不清楚,但是这些基因以及它们的启动子大多已申请了专利。D el m er[10]根据她多年的研究结果,提出了棉花纤维素合成的理论模型。只要克隆出与棉花纤维素合成有关的基因,就可通过DNA有义和反义的操纵技术改良棉花的纤维品质,因而有巨大的商业利益。美国孟山都(M on san to)、卡基尔(Calgene)等生物技术公司开展了大量的研究,获得了不少的专利。H aigler等把棉花的蔗糖合成酶基因导入棉花,不仅提高了棉花产量,而且也显著改善了棉花的纤维品质(2000年美国棉花生产研究大会报告)。John(1997)把棉花中克隆出的过氧化物酶基因连接到棉纤维发育的专化启动子E623B、B8后导入棉花,转基因棉花的纤维强度显著改善,选出的1株转基因棉花的纤维强度比对照岱字棉50提高了62%(美国专利U S2 0811094)。

表1　棉纤维发育的调控基因[43]

纤维伸长—初生细胞壁的合成

初始表达组成性表达

次生细胞壁的合成膨胀A CP(acyl carrier p ro tein)[40]25srRNA[14,42,44]rac9,rac13[11]液泡H+2A T Pase A,B,c亚基[14,42,44]液泡H+2焦磷酸酶[39]H6[22]

质膜H+2A T Pase[39]cel A1,cel A2[31]

液泡膜内原蛋白[12,39]蔗糖合成酶[3,37]磷酸烯醇丙酮羧化酶酸[41]膜联蛋白annex in s

蔗糖合成酶[28,35](A nnGh1,A nnGh2)[4,33]

FbL2A[34]

1,32Β2内葡聚糖酶[37]细胞骨架Α2tubu lin,微管蛋白[39]actin[37]

(annex in s)[4,33,38]

细胞壁1,42Β2内葡聚糖酶[37]XGET G[37]

expan sin[30,37]

L T P,pFS6,脂类转移蛋白[25,26,29]

E6,pFS5[19,21,29]

Fb2B6[18]

注:XGET G:Xyloglucan Endo tran sglyco sylase

1.2　外源基因的导入与棉纤维品质的改良

1.2.1　激素调控与棉纤维改良。在棉纤维发育过程中,4种植物激素的变化已有很多的研究报道[6]。很多试验证明,在纤维初始发育和伸长过程中,I AA都有促进作用[6,13,24]。已从根癌农杆菌(A g robacterium tum ef aciens T2DNA)中克隆出的I AA合成的iaa M、iaaH基因。大量的转iaa M、iaaH基因植物都显著提高了I AA的含量。为此, John[20]将iaa M、iaaH基因串联接入到纤维专化启动子E6后,通过基因枪遗传转化方法导入到岱字棉50品种中。尽管有一些转基因品系的I AA含量比岱字棉50高2～8倍,但是这些转基因品系的纤维品质,无论是纤维长度、纤维细度,还是纤维强度和岱字棉50相比都没有差异。

细胞分裂素调控植物生长发育过程中的许多方面,例如细胞分裂、芽的形成、叶的衰老、顶端优势等。已从根癌农杆菌中克隆出iPT基因,它编码细胞分裂素合成的一种关键酶—异负烯基转移酶。将该基因导入到植物中,可提高植物体内细胞分裂素水平。将iPT基因连接到35s启动子后,导

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