彩色棉纖維發(fā)育特性以及基于細胞質(zhì)雄性不育的彩色長絨棉育種研究.pdf

1、天然彩色棉是一種纖維具有顏色的棉花,其顏色是植物色素在纖維細胞內(nèi)沉積的結(jié)果。天然彩色棉織物以其舒適、環(huán)保的特性受到人們的廣泛歡迎。但彩色棉在生產(chǎn)應(yīng)用上存在兩個不利因子:其產(chǎn)量偏低,品質(zhì)偏差。如何提高彩色棉的產(chǎn)量和品質(zhì)使其適應(yīng)紡織工業(yè)的需求成為種植者和紡織企業(yè)共同關(guān)注的問題。雜種優(yōu)勢是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的有效手段,在棉花中海陸雜種和陸陸雜種已被廣泛用于新品種的選育。海島棉具有纖維長、細、強等突出特點,是紡織高支紗和特種織物不可缺少的原料。

2、為此,本文在研究彩色棉纖維生長與發(fā)育的生理、生化和基因表達特性的基礎(chǔ)上,對基于細胞質(zhì)雄性不育的棕色棉陸陸雜種和海陸雜種的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)進行了分析和研究,以期為指導彩色棉育種提供理論依據(jù)。本文主要研究結(jié)果如下:
　　 1田間和組織培養(yǎng)條件下彩色棉和白色棉纖維的發(fā)育特性
　　 彩色棉纖維快速伸長期較短,次生壁加厚停止較早,使得彩色棉纖維的長度和品質(zhì)較差。與白色棉比較,彩色棉纖維細胞中的纖維素、總黃酮、葡萄糖、蔗糖和果糖的含量存

3、在明顯差異:1)、纖維素的含量。彩色棉纖維(僅為750mg/g左右)低于白色棉纖維(910mg/g);2)總黃酮含量,棕色棉和綠色棉5DPA纖維中總黃酮含量分別為8.4mg/g和6.9mg/g,顯著高于白色棉5DPA纖維中的3.1mg/g;3)纖維中碳水化合物含量,彩色棉纖維中各種糖分的含量在纖維發(fā)育的早期均低于白色棉。棕色棉和綠色棉5DPA纖維中蔗糖,果糖和葡萄糖的含量比白色棉分別降低20％和25％,16.7和28.6,9.6％和6.

4、4％。這與組培的研究結(jié)果相一致,表明糖分對離體纖維發(fā)育有顯著的促進作用相一致。實驗表明,不添加糖源的培養(yǎng)基中纖維基本不發(fā)育。蔗糖對纖維發(fā)育的促進作用最為明顯,葡萄糖次之,果糖最差。因此,在彩色棉纖維發(fā)育的前期可溶性糖含量偏低,后期不但存在色素物質(zhì)的合成,而且可溶性糖向纖維素的轉(zhuǎn)化又不充分,這就使得最終彩色棉纖維中纖維素含量減少,而可溶性糖含量則相對升高,可能對棉花產(chǎn)量和品質(zhì)均有不利影響。
　　 2培養(yǎng)基中外加呼吸抑制劑對離體彩色

5、棉纖維發(fā)育及顯色的影響
　　 用組織培養(yǎng)的方式,外加呼吸抑制劑硫脲和魚藤酮觀察離體彩色棉纖維胚珠在30天內(nèi)的生長發(fā)育特性。研究發(fā)現(xiàn),硫脲對彩色棉纖維細胞的發(fā)育影響較小,但對綠色棉纖維的顯色影響較大。當培養(yǎng)基中硫脲濃度達到600μM及以上時,綠色棉纖維在30天內(nèi)沒有顯色,而對照(不加硫脲綠色棉)在23天顯色。硫脲對胚珠培養(yǎng)條件下棕色棉纖維的顯色沒有影響。魚藤酮對彩色棉纖維生長的毒性較大,能顯著抑制彩色棉胚珠的發(fā)育,與對照相比,高濃

6、度魚藤酮處理下彩色棉胚珠鮮重降低65％以上,纖維長度縮短55％左右。在魚藤酮作用下,棕色棉和綠色棉雖然都能正常顯色,但棕色棉纖維的顏色明顯變淡,綠色棉纖維顏色變化不明顯但顯色提前,組培17天顯色,比對照提前6天。同時對組織培養(yǎng)條件下30天后兩個抑制劑不同濃度處理下三種纖維中多酚氧化酶活性測定發(fā)現(xiàn),高濃度硫脲處理下,各個材料中多酚氧化酶活性均有降低。其中綠色棉中多酚氧化酶活性降低80％左右,這可能與高濃度硫脲處理下綠色棉纖維顯色受到抑制有

7、關(guān)。
　　 3基于細胞質(zhì)雄性不育的棕色棉陸陸雜種和海陸雜種的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)
　　 陸陸雜種ZZ2的皮棉產(chǎn)量最高,其次為ZZ3,ZZ1。ZZ2的產(chǎn)量相對G008提高了57.5％,與白色棉對照ZM29接近。ZZ2較高的產(chǎn)量得益于其單鈴重上較大的雜種優(yōu)勢,這與ZZ2雜種的父本為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的白色陸地棉有關(guān)。白色優(yōu)質(zhì)陸地棉基因的滲入使得ZZ2在單鈴重、皮棉產(chǎn)量和衣分上比G008有顯著提高。棕色棉海陸種間雜種ZZ3的單株結(jié)鈴數(shù)最多,其對

8、G008和ZM29的超標優(yōu)勢兩年平均值為40.5％和60.3％。這使得海陸雜種的籽棉產(chǎn)量較高,比G008提高30％以上,為其皮棉產(chǎn)量的雜種優(yōu)勢提供了基礎(chǔ)。ZZ1的雜種優(yōu)勢為三類雜種中最低。海陸雜種ZZ3的纖維長度與G008和ZM29相比提高了33.9％和11.2％。其纖維強度比棕色棉純系G008提高40％左右,超過白色棉對照ZM2910％以上。以白色棉做父本的陸陸雜種ZZ2和海陸雜種ZZ3成熟纖維中纖維素的含量(分別為906mg/g和8

9、97mg/g)顯著高于G008(746mg/g),與白色棉對照ZM29接近。成熟纖維中纖維素與纖維品質(zhì)的相關(guān)性分析表明,成熟纖維中纖維素的含量與纖維長度和強度都有極顯著的正相關(guān),這可能是棕色棉海陸雜種品質(zhì)較好的原因之一。
　　 4葉片光合特性和纖維生理特征與棕色棉雜種產(chǎn)量和品質(zhì)表現(xiàn)的關(guān)系
　　 海陸雜種ZZ3在整個生育時期平均具有較高的葉綠素水平,其盛花期的葉綠素含量與同時期的ZZ1,ZZ2,和G008葉片中葉綠素含量相

10、比分別提高了22％,12％和57％。與葉綠素含量相對應(yīng),海陸雜種也具有較高的凈光合速率,并且在生育后期其他材料光合速率下降明顯時,海陸雜種凈光合速率的降幅較小。海陸雜種ZZ3葉片中碳水化合物含量相對較高,這表明其光合能力相對較強,但其最終的皮棉產(chǎn)量不如ZZ2,可能與其營養(yǎng)生長過旺造成對碳水化合物利用分流有關(guān)。ZZ1、ZZ2、773和G008在纖維的生理特性上也有較大差異。纖維快速伸長期,ZZ3纖維中可溶性糖含量較高,而pH值相對較低,為

11、纖維的快速伸長以及纖維素的合成提供較好條件。
　　 5纖維發(fā)育相關(guān)基因的表達與棕色棉雜種品質(zhì)表現(xiàn)的關(guān)系
　　 棕色棉海陸雜種最大的優(yōu)點是其對棕色棉纖維品質(zhì)的極大提高,而好的纖維品質(zhì)能使棕色棉適應(yīng)紡織工業(yè)的需求。我們利用熒光定量PCR來研究不同棕色棉雜種纖維中滲透壓相關(guān)基因和細胞壁形成相關(guān)基因表達量的差異。結(jié)果表明,在海島棉H8714R和棕色棉海陸雜種Z11A×H8714R中六個基因表達量均相對較高。EXT基因和ACT1基

12、因的表達量均為棕色棉G008的1.5倍以上。celA1基因與纖維素的合成直接相關(guān),因此對纖維的強度影響亦較大。研究結(jié)果表明,棕色棉海陸雜種纖維中該基因的表達量要顯著高于棕色棉陸陸雜種和棕色棉純系,其20DPA中celA1基因的表達量是棕色棉純系G008纖維中該基因表達量的2倍以上。由于20DPA是纖維素大量合成的時期,因此,該基因的大量表達可能與棕色棉海陸雜種纖維強度的明顯提高相關(guān)聯(lián)。海島棉H8714R和棕色棉海陸雜種Z11A×H871

13、4R在10DPA纖維中滲透壓相關(guān)基因的表達量較高。蔗糖合酶基因(SuSy)在海島棉纖維快速伸長期的表達量很高,達到內(nèi)參基因的25倍左右。白色陸地棉ZM29、棕色棉陸陸雜種Z11A×L08R和棕色棉純系G00810DPA纖維中蔗糖合酶基因(SuSy)的表達量相對較低,只有海島棉和棕色棉海陸雜種的1/3左右。焦磷酸化酶基因(VPP)和質(zhì)膜H+-ATPase基因(PMA)在海陸雜種和海島棉10DPA纖維中的表達量也較高?；虮磉_量和成熟纖維品