棉花纤维品质育种的研究进展(新)

湖南农业大学研究生课程论文学院：农学院年级专业2014级作物学姓名：欧阳燕莎学号：s2014394课程论文题目：棉花纤维品质育种的研究进展课程名称：作物学综合技能课评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：日期：年月日棉花纤维品质育种的研究进展摘要：论述了棉花品质育种研究的必要性和重要性，综述了国内外棉花纤维品质的研究现状和影响棉花纤维品质的因素,探讨了用基因工程方法改良棉花纤维品质的育种策略，并展望了棉花纤维品质育种的发展。关键词：棉花；纤维品质；纤维品质育种ResearchAdvancementsonBreedinginFiberQualityofCottonMayixue（CollegeofAgronomy,HunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,China)Abstract:Cottonqualitybreedingisimportantandneeessary.Thispapersummarizedrecentstudiesoncottonfiberqualityandeffectsofcottonfiberquality,discussedthebreedingstrategytoimprovefiberqualitybygene.finally,theadvancementsinfiberqualitybreedingofforeignandhomelandwerealsosummarized.Keywords:cotton;fiberquality;fiberqualitybreeding棉花是我国最重要的战略物质之一，它直接关系到国民经济的发展和人民生活水平的提高，影响着棉花加工业、纺织业、服装业和对外贸易行业的发展。来自世界贸易组织的统计显示，到2010年中国纺织品服装出口量占到了全球出口份额的三成以上，而在2001年中国纺织品服装在全球的出口份额仅有一成多。目前，我国棉花生产主要集中在黄河流域、长江流域和西北内陆三大植棉生态区[1]。黄河流域棉区包括河北、山东、河南、山西和陕西5省，长江流域棉区包括湖北、湖南、安徽、江苏、江西、浙江和四川7省，西北内陆棉区包括甘肃省和新疆维吾尔自治区。1．提高棉花纤维品质育种的必要性和重要性棉纤维是棉花种子的表皮毛，是胚珠外珠被表皮层的单细胞分化逐步发育而成，成熟的棉纤维由初生壁和次生壁组成，后者为棉纤维的主体部分。棉纤维在发育过程中主要经历纤维原始细胞分化和突起、纤维细胞的伸长、次生壁增厚和棉纤维脱水成熟4个阶段，其各个阶段各具特点，并且相互重叠，没有明显的界限[2]。棉纤维的品质主要包括纤维长度、强度、细度、成熟度、絮色、黄度、杂质含量等多个外观及内在品质指标。当前在棉花育种领域中最重要的纤维品质指标是纤维长度、比强度和马克隆值[3]。我国是世界上棉花生产和消费大国，常年种植面积400万-533万hm2，总产600万t左右，居世界第一。纺织品服装年出口额1000亿美元以上，约占全国出口总量的1/4，净创汇相当于总贸易顺差的150%左右[4]。随着纺织技术改进和生活水平的提高，棉纺纱支由中低支向中高支转变，纺纱效率由低向高转变，棉纱由普梳向精梳转变等，对原棉品质—纤维强力、成熟度和整齐度提出了更高的要求。棉纱棉布用途由服装向家用和产业用转变，高支高密和阔幅床上纯棉用品和涤混装饰用纺织品发展，对中短绒棉、长绒棉、和中长绒棉的需求量将增多[5]。根据农业部棉花品质监督检验测试中心开展的对我国主产棉区生产领域棉花主栽品种的纤维品质抽查的结果表明[1]，从总体上看，我国生产的陆地棉的纤维品质基本上能满足中、粗支纱的需要，但还缺乏长度在31mm以上，整齐度在83%以上，断裂比强纺织工业要求较强、较细和整齐的纤维度在32cN/tex以上，马克隆值在3.7-4.2之间，而且各品质指标相互匹配的高档优质棉，来满足纺60支以上高支纱的需要。随着人民生活水平的不断提高和纺织工业的发展，高档优质棉的需求量在逐渐增加，是今后发展的一个方向。2.棉花纤维品质研究现状2.1国外对棉花纤维品质的研究国外对棉纤维发育的研究较为重视，美国、澳大利亚、日本、以色列都已有棉纤维发育基因及相应的启动子的专利。1998年美国国家科学基金委(NSF)资助了“棉花基因组的结构和功能：棉纤维的遗传学、发育和进化的综合分析”重大项目，由加州大学Davis分校的Wilkins博士牵头组织了5个大学的科研人员进行合作研究。美国的棉花品质育种研究已有50多年的历史，Culp等从1946年开始PD种质改良计划，历时40余年，发放了30多个种质系和3个品种，这些种质系或品种纤维品质，尤其是纤维强度较好，提高10%-20%，产量达到推广品种的水平。1982年以来，为适应纺织工业设备的改造，美国加快了对纤维品质的育种。从1980年起，美国纤维比强度每年提高0.25cN/tex，到1991年已达到了27.5cN/tex(卜氏水平)。1992年美国在乔治亚州的Savannah召开了“棉纤维的纤维素：结构、功能、和应用大会”，1994年又在得克萨斯州Galveston召开了以提高棉纤维强度为主的“棉花生化学术讨论会”，对棉花品质育种非常重视[6]。2.2国内对棉花纤维品质的研究新中国成立以来，我国棉花的产量和品质都得到了大幅度的提高，育成品种的产量水平、品质指标、抗逆性范围和强度稳步提高，但质量还不尽人意。20世纪90年代中期以后，我国棉花品质改良进入瓶颈期，虽然目标仍是在保持其他品质指标的同时，重点提高纤维强度，但由于缺乏优异种质系、亲本材料和创新技术，主要品质指标改观并不明显[7]。我国棉花纤维品质测定，在不同时期采用的仪器不同，表达指标也多有差异[8]。在1987年统一采用HVI900之前，我国的棉纤维品质指标多采用主体长度、单纤维强力、细度和断裂长度(=单纤维强力×细度/1000，单位为km)。黄淮棉区于1987年开始采用HVI900，测定纤维长度、强度和细度的指标分别为2.5%跨长(mm)、强度(CN/tex，0.98乘上以g/tex为单位的强度值)和马克隆值(μg/inch)。据关于中美棉花品种第二轮联合试验的报道[9]，我国品种产量高于美国品种(平均高17.45%)，早熟性、抗病性和抗逆性也优于美国品种，但纤维品质性状差于美国品种。唐淑荣等[10]对1998—2011年我国大田生产棉花纤维品质数据分析表明，从14年来抽检来看，我国棉花生产领域中陆地棉样品的纤维上半部平均长度以中绒档次（28.0mm-30..9mm）为主，占77.1%，中短绒（23.0mm-27.9mm）和中长绒（31.0mm-33.9mm）的样品分别占12.1%和10.84%。长度整齐度指数达到高档次（83.0%-85.9%）及以上的样品占55.57%，表明我国棉花纤维的整齐度较好。断裂比强度纤维达中等档次（26.0cN/tex-28.9cN/tex）的样品约占44.51%，其次达到强档次（29.0cN/tex-30.9cN/tex）的样品占30.42%。说明我国棉花品种的纤维强度达到中等以上水平。从总体上看，我国生产的陆地棉的纤维品质基本上能满足中支纱的需要。从每年的调查中表明我国棉花年度间纤维的长度基本上是稳步上升且稳定在29.3mm上下浮动，说明我国棉花品种在纤维长度技术指标选育上基本达到较高的水平。近几年陆续抽查到有些海陆杂交的品种纤维长度较长，有的能达到39mm，但强度指标偏低。而2005年、2009年棉花大丰收，纤维比强度较高，品质较好。自1998—2011年，马克隆值有逐年增加的趋势。近年来随着棉花单产的提高，马克隆值也在提高，马克隆值偏高，直接影响纺织过程中的清钢落棉问题，降低马克隆值是刻不容缓的首要任务，对育种家们提出了更高的要求，在今后的品种选育、国家高产创建政策中既要提高单产，又要保证纤维品质的协调发展。纺纱均匀性指数自1998-2011年有不断增加的趋势。这说明我国棉花品质逐步得以改善，这得益于各方面的努力：育种家们在品种筛选上做出不断努力，我国品种审定在品质方面严格把关，国家政策对质量监督检测的重视，纤维检验系统开展的仪器化公检都为棉花纤维的质量把关作出了很大贡献。从长江流域、黄河流域、西北内陆棉区纤维品质在年份间的差异来看，综合品质有增加趋势，这与近几年来我国大力提倡品质育种的重视程度是分不开的，育种水平和栽培技术都在大幅度提高，海陆杂交品种的不断推广，使得纤维品质在长度、强度方面有很大改进。西北内陆棉区品质近年来也有较好的增加趋势，长度、强度、纺纱均匀指数都有所增强，马克隆值粗细适中。但西北内陆棉区在2011年度的抽查中，抽查品种的马克隆值明显比其他年份偏高，这与新疆近几年不断发展杂交棉也有一定的关系。总体来说，我国棉花的纤维长度、强度、麦克隆值提高较慢，60年代比50年代有一个快速提高阶段，70年代后进展缓慢[11]。3.棉花纤维品质的育种3.1影响棉花纤维品质的主要因素从遗传学的角度看，棉花皮棉产量和纤维品质性状均属数量性状，受多基因控制，同时受环境影响[8]。3.1.1品种不同棉花的品种具有不同的遗传性，它在很大程度上决定着纤维品质[12]。优质的棉花品种是指各项品种性状良好，符合纺织要求的棉花品种。具体来说，棉纤维的长度、细度、韧性和强度等各项指标均应适应纺织和市场需要，有较好的纺织利用价值，同时还要兼顾其它的经济性，较好的高产性、适应性、抗病性以及抗虫性，品种的成熟性也必须与种植区域、种植制度相适应。为此，品种的纯度和退化程度对棉纤维品质有很大的影响，选择适合的棉花品种是生产优质棉花的基础3.1.2氮素棉花是对氮素敏感的植物，氮素代谢状况显著影响纤维品质。大量研究结果表明，施氮量对棉纤维伸长率、绒长、马克隆值影响比较显著，对比强度、整齐度影响较小。氮素是作物生产中最活跃、最难调控的因子之一，氮素对成熟棉纤维品质有影响，适宜施氮可以改善棉纤维品质[13]，优化氮肥管理措施能够显著提高纤维长度和比强度，并确保马克隆值处于最优的品质范围内，但对伸长率和整齐度无影响[14]。李学刚等[15]的研究发现，与普通氮肥处理相比，3个控释氮肥处理均显著增大了普通氮肥追肥前(7月下旬)棉铃的纤维比强度和8月中旬棉铃的纤维马克隆值，增加了8月中旬棉铃的纤维成熟度。此外，100%树脂包膜尿素处理还显著增大了8月下旬棉铃的纤维马克隆值；棉花专用肥处理显著增大了8月上旬棉铃的纤维马克隆值和8月下旬棉铃纤维长度、纤维比强度、纤维马克隆值，增加了8月上旬棉铃的纤维成熟度。其余开花期各施氮处理间差异不显著，这可能是由于某些开花期棉株尚处于轻度缺氮情况，有限的光合物质优先分配到生殖器官，有利于纤维品质形成。3.1.3激素和脂肪酸植物激素在棉花胚珠发育和纤维伸长过程中起着重要的调节作用[16]。生长素（auxin）是植物体内起着重要作用的激素，在调控植物生长发育过程中起着重要作用。对棉花胚珠体外培养体系施加生长素可以促进体外棉花胚珠纤维的生长。生长素调节信号通路中MAPK（MAPkinases）信号转导级联反应在植物中普遍存在，调节细胞分裂、分化、代谢以及抗逆反应[16]。赤霉素（Gibberellin，GA）在植物界中普遍存在，是一类高效生长激素，作用于高等植物的整个生命周期，影响种子的萌发、茎的伸长、花的诱导以及种子的形成。赤霉素[17]对棉纤维的研究集中在从胚珠中分离和鉴定内源激素含量或通过施加外源激素分析棉纤维的变化。乙烯（Ethylene）是植物中重要的植物激素，具有重要的生物功能，作用于果实成熟、解除休眠、促进植物器官脱落、及促进一些植物次生物质分泌、应答胁迫等方面起着重要作用[18]。近年来的研究发现，乙烯对于根毛发育，茎的伸长，胚轴发育等起着正调控的作用。Shi等[19]的研究表明，乙烯可能通过激活细胞壁合成、细胞壁松弛或细胞骨架重排的重要基因来促进纤维伸长。油菜素内酯（brassinolide，BR）是一种新型植物激素，广泛存在于植物界，对植物生长发育有着多方面的调