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抗除草剂基因在作物育种中的应用

2016-01-12宋志红孟庆忠张涛李国荣

湖北农业科学 2015年24期
关键词:育种应用

宋志红 孟庆忠 张涛 李国荣

摘要:抗除草剂作物尤其是转基因抗除草剂作物的开发,使田间防除杂草变得简便易行,并且降低除草成本,提高经济效益。对抗除草剂基因在作物育种中的应用现状进行了综述,挖掘抗除草剂基因在作物中的利用

关键词:抗除草剂基因;育种;应用

中图分类号:S330 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)24-6120-04

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.003

Abstract: As the development of herbicide resistant crops, especially herbicide resistant transgenic crops, it had become easier to field weed control, and decrease weeding cost, improve economic effects. The application of herbicide gene in crop breeding was summarized in the article to explore the use of herbicide resistant genes in crops.

Key words: herbicide resistance gene; breeding; application

1970年,人们发现欧洲千里光(Senecio vulgaris)对均三氮苯类除草剂具有抗性[1]。科学家受此启发,开始了抗除草剂的作物新品种的研究。迄今为止,人类已获得了很多抗(耐)除草剂作物,尤其是转基因抗除草剂作物,诸如抗草丁膦转基因作物、抗草甘膦(农达)转基因作物、抗磺酰脲类除草剂转基因作物、抗溴苯腈转基因作物、抗阿特拉津转基因作物、细胞色素P450及脱卤素酶转基因抗除草剂作物等近10个类别[1]。抗除草剂作物开发最大的作用就是扩大杀草谱,使田间防除杂草变得简便易行,降低除草成本,提高经济效益。20世纪90年代,黄大年等[2]提出了将抗除草剂特性应用于作物杂种优势利用中的设想,本研究为了挖掘抗除草剂基因在作物中的利用,对近些年抗除草剂基因在作物育种中的应用现状进行了综述。

1 抗除草剂基因及作物

抗除草剂作物品种主要通过转基因技术与非转基因常规育种方法创制。

1.1 非转基因抗除草剂作物

20世纪70年代,人们利用非转基因手段(传统育种)开始培育抗除草剂作物,并成功培育出了第一个抗均三氮苯除草剂油菜品种“OACtriton”。传统的育种方法有自然选择、杂交法、诱变法、组织培养法等非转基因手段,迄今为止,培育出的非转基因抗除草剂作物主要包括:①抗三氮苯类:大豆、油菜;②抗稀禾啶(环己烯二酮)类:玉米、大豆;③抗咪唑啉酮类:玉米、棉花、小麦、水稻、向日葵、小扁豆;④抗磺酰脲类:大豆、亚麻、棉花、向日葵、油菜;⑤抗草铵膦类:油菜、甜菜、大豆、玉米、棉花。采取此种途径选育而成的抗除草剂作物品种易于被人们接受而被一些国家认可。其中抗咪唑啉酮类作物是非转基因抗(耐)除草剂作物发展中最成功的作物,特别是耐咪唑啉酮水稻,2008年在美国阿肯色州的种植面积已占水稻种植总面积的1/3,而在哥斯达黎加则占水稻种植总面积的22%,此外,在加拿大、巴西和希腊等国均己大面积种植[3]。

1.2 转基因抗除草剂作物

20世纪80年代中期,生物技术与基因工程的发展使人们摆脱了单纯利用自然界植物固有遗传特性的局面,进入自由构建遗传性状的新时代,导致创制转基因抗除草剂作物的迅速发展,转基因抗除草剂作物已成为主流。到目前为止,已有近300种植物通过转基因技术培育出抗除草剂品种[4]。按照基因的不同,对转基因抗除草剂作物进行分类:①抗草甘膦转基因作物:番茄、玉米、水稻、小麦、向日葵和甜菜等20余种植物;②抗草铵膦(草丁膦)转基因作物:玉米、小麦、水稻、大豆、油菜、马铃薯、番茄和苜蓿等;③抗磺酰脲类除草剂转基因作物:油菜、水稻、大豆、亚麻、棉花、番茄、甘蔗和甜瓜等;④抗溴苯腈转基因作物:油菜、棉花、马铃薯和烟草等。另外,还有抗莠去津(阿特拉津)转基因作物、细胞色素P450及脱卤素酶转基因抗除草剂作物等[5]。在这些抗性作物中,50%以上是抗草甘膦作物。2010年,全球已经大规模商业化种植的抗草甘膦转基因作物主要有大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜及苜蓿6种,仅抗草甘膦大豆种植面积就达7 330万hm2。占全球转基因作物种植总面积的50%,占全球大豆总种植面积的77%左右[6]。

现已经研究的抗除草剂基因主要有抗草丁膦、双丙氨酰膦的bar(PAT)基因;抗草甘膦的gox、aroA、cp4-epsps基因;抗磺酰脲类除草剂的SURB-Hra、SURA-c3、csrl基因;抗均三氮苯类(莠去津等)的psbA、atzA基因;抗2-4 D的tfDA基因;抗溴苯腈的bxn基因等[7]。

2 中国抗除草剂作物研究概况

中国在抗除草剂基因工程方面的研究起始于20世纪80年代,抗阿特拉津大豆是中国获得的最早的转基因抗除草剂作物,到目前为止,获得的抗除草剂基因有抗阿特拉津基因(PS6A)、抗草铵膦基因(bar)、抗溴苯腈基因(bxn)、抗2,4-D基因(tfdA)和抗草甘膦基因(G2-EPSPS)等。目前已获得的抗除草剂转基因作物有抗草铵膦水稻和小麦;抗2,4-D棉花;抗阿特拉津大豆;抗草甘膦玉米、棉花、油菜、水稻、大豆和小麦;抗溴苯腈油菜和小麦等。2012年,中国培育的抗草甘膦转基因玉米获得农业部批准,进入生产性试验阶段,如果实现商品化生产,将有利于打破美国孟山都等跨国公司在抗除草剂转基因产业上的垄断地位[8]。endprint

3 抗除草剂基因在作物育种中的应用

3.1 作为筛选标记基因

抗除草剂基因作为筛选标记基因具有产生的假转化体少并能给作物带来有用的农业性状的优点,已越来越多地应用于植物遗传转化。其中bar基因是应用最广的抗除草剂选择标记基因。Nakamura等[8]利用bar基因作为筛选标记,构建了用于植物遗传转化的高通量载体,将抗虫基因Cry1 Ca[9,10]、抗旱、耐盐基因BADH等[11]与抗除草剂基因bar结合,通过农杆菌介导转化法成功导入水稻中。张春雨等[12]研究表明,bar基因在后代田间筛选中具有明显的成本优势。此外,抗草甘膦的aroA基因、抗溴本腈的bxn基因和抗绿磺隆的csrl基因等也已成功地应用于不同作物的遗传转化[13]。

3.2 在雄性不育法育种中的应用

杂种优势育种是利用两个或几个遗传性不同的亲本杂交育出在生长势、生活力、抗逆性、产量、品质等方面优于其亲本的杂种后代的一种育种方法。作物雄性不育化育种是杂种优势利用的重要途径之一。作物雄性不育包括质核互作不育和核不育两种类型,相对应生产上为三系法和两系法育种,三系即不育系、保持系、恢复系,三系配套在多种作物中已广泛发现,应用方式上较为成功的是中国20世纪70年代兴起的水稻野败胞质不育三系配套的杂交种,迄今仍具生命力,并扩展到东南亚等国家[14]。但三系法中一些作物存在不育系不育性不彻底、胞质含有产量不利因子及优势组合筛选缓慢等问题[2]。二系法是指核不育类型,此类型没有保持品种(保持系),不能实现三系配套,通常呈不育与可育1∶1的分离[15]。核不育类型在应用中还有很大的难度,所以到目前还没有推广使用。核不育类型中的光温敏核不育类型其不育度受光温调节,利用此特性配制杂交品种,与三系法相比,可以免去不育系繁殖的异交过程,免去不育细胞质带来的各种负作用,以及由于恢复源广、配组自由,获得强优势组合的几率大大提高[16]。因此,光温敏核不育系制种具有广阔的前景,但其在繁殖、制种过程中受到诱导光温条件的制约,表现为不育系育性败育不彻底,繁种、制种质量难以保证,配制的杂种表现出真杂交率不高(通常只为40%~80%)等问题[17]。早在20世纪90年代,中国科学家就提出利用抗除草剂基因应用到不育系育种中的设想,以提高杂交种纯度和简化育种程序,发展到现在主要进展如下。

3.2.1 培育新型抗除草剂不育系 抗除草剂基因转到不育系育成新的抗除草剂不育系。杂交制种时,喷洒相应除草剂可除掉不育系中的杂株(本身可育株、气候条件影响、机械混杂等因素)和杂草,保证了不育系纯度,降低了繁种的隔离条件,尤其在抗除草剂核不育系制种时,可以利用除草剂去除50%的可育株,大大减轻了劳动强度,为核不育的应用提供了可能的条件[14]。近些年获得的抗除草剂不育系有抗草甘膦的水稻光温敏核不育系[18]、抗草丁膦的水稻光温敏核不育系[10,12]、抗草甘膦油菜不育系[19,20]、抗草铵膦甘蓝型油菜核不育系[21,22]、抗草甘膦棉花核不育系Yu98-8A1[23]和Yu98-8A2[24]等。这些抗除草剂不育系的创制为两系法杂交制种打下了坚实的基础。

3.2.2 培育新型抗除草剂恢复系 将显性抗除草剂基因转到恢复系中可育成新的抗除草剂恢复系,将得到的携带纯合抗除草剂基因的新恢复系与不育系配制杂交组合,得到的真杂种后代具有抗除草剂特性,因此,通过施用除草剂即可去除假杂种、杂株和杂草,获得整齐一致的杂种群体。山西省农业科学院谷子研究所选育出K103、K95、K161、K163、K172等一批具有较高配合力的抗拿捕净(稀禾啶)恢复系,随后用这一批抗除草剂新品系作父本,2008年选育出抗除草剂优质新品种长杂2号并通过山西省认定,2012年获山西省科技进步二等奖。2010年选育出晋谷49号和晋谷50号并通过山西省认定。2013年选育出晋谷56号和晋谷57号并通过山西省认定[25]。水稻通过田间杂交、回交或转基因遗传转化等手段也培育出一大批抗除草剂恢复系,包括抗草铵膦恢复系明恢63-B、测64-B、特青-B等20余个[26,27],抗草甘膦籼型水稻恢复系[28]、抗pursuit(普杀特)水稻恢复系等[29],并利用其恢复系培育出杂交稻香125S/Bar68-1等一批优良组合[28,29]。在抗除草剂油菜恢复系中,肖国樱等[30]培育出了抗草丁膦油菜恢复系和抗草甘膦的油菜恢复系。并利用其恢复系配置了抗草甘膦杂交油菜组合,产量鉴定结果表明,5个抗性组合杂种一代单株产量均高于亲本,超亲优势率达到17.84%~42.80%。

3.3 作为化学杀雄剂应用于杂交制种

化学杀雄是获得杂交种的又一途径,化学杀雄杂交制种除不需要人工去雄而大幅度降低了杂交种生产的成本外,还具有免除不育系制种中育性配套和保持所必需的繁琐工序,且亲本选择更加广泛,杂交组合选配自由,更易选出具超优势的杂交种。因此,化学杀雄技术在杂交优势利用和杂交制种上有着广阔的市场前景。

这方面研究主要集中在棉花的研究上。Viator等[31]研究发现在抗草甘膦棉花四叶期后喷施草甘膦,造成花药不能正常开裂、花粉活力降低、棉铃畸形等现象。随后科研学者设想,如果通过间隔喷洒除草剂来控制棉花雄性不育,同时对其进行人工授粉,观察雌蕊育性及植株的结铃性,可能是创造雄性不育进行棉花制种的新途径。李燕[32]探讨了草甘膦作为棉花化学杀雄剂的应用,结果表明,随着喷洒浓度的升高,喷洒次数的增加,杂交种纯度逐渐提高,最高可达96.9%,但负效应也愈加明显。对草甘膦杀雄获得的杂交种的产量及品质相关性状进行分析,结果表明,草甘膦对转基因棉花杂交后代生长没有负效应。梅磊等[33]研究认为考虑到气候等因素,转基因抗草甘膦棉花可在现蕾初期喷施20 mmol/L的草甘膦,每隔15 d(遇特殊气候可延长5 d)喷1次,共喷4次,即可进行不去雄杂交棉制种。孟庆忠等[34]研究结果表明,10%草甘磷100倍液可得到母本全株雄性不育性状。王秀丽等[35]研究认为,自现蕾开始,每隔16 d喷洒一次除草剂可以有效控制棉花雄性不育。endprint

3.4 杂交种纯度快速鉴定与纯度控制技术研究

杂交种纯度是制约杂交优势利用育种中的主要因素之一。除草剂抗性基因的利用,为控制杂交种的纯度提供了有效途径。中国每年杂交作物制种的纯度主要靠冬季到海南进行种植鉴定,鉴定时间长,分子鉴定需要高端试验设备及专业操作人员。而利用抗除草剂基因培育的抗除草剂杂交种,可在苗期通过相应除草剂的筛选体系快速、简便、有效地鉴定杂交种纯度,不仅节省成本,对销售假冒低劣杂交种子坑害农民的行为也可起到有效的防护作用。另外,杂交种的纯度也得到有效控制,这一技术也叫超净杂交种技术,它的应用可以重新启用曾经被摒弃的一些配合力好但育性有欠缺的不育系,利于杂交组合的自由选配和提高杂交水稻的产量,亲本选择范围的扩大能增加群体的遗传多样性,防止生产上的遗传脆弱性和流行病的发生。

金红等[36]摸索出抗除草剂转基因黄瓜的田间抗性鉴定和室内种子抗性鉴定的除草剂临界浓度。建立了一套在种子发芽阶段或2片真叶期进行黄瓜杂交种纯度鉴定的新技术。王新其等[37]利用田间与室内方法鉴定了水稻F1杂种纯度,二者鉴定结果相符,因此,通过浸种或苗期喷药,就可以有效杀死假杂种,保证杂交群体的纯度。周心童[38]确定了有效鉴别棉花父、母本品种抗与非抗草甘膦棉花的最适浓度为2.00 g/L,鉴别杂交种的最适草甘膦浓度为2.25 g/L,最适宜的喷施时间为棉苗三叶期。马小艳等[39]研究了浸种法鉴定转基因抗草甘膦棉花。草甘膦的浓度选择在20.00 g/L,浸泡时间约1 h。该方法检测周期短,工作量小。吴伟等[40]利用发芽试验和苗床试验对抗草甘膦棉花浙杂14杂交棉种子进行纯度鉴定。结果表明,发芽试验鉴定的纯度结果略低于苗期鉴定,但趋势完全相同。李志强等[41]研究表明,利用室内发芽试验鉴定转基因抗草甘膦棉花抗性的方法是准确可行的。熊绪让等[42]对转bar基因抗除草剂两系杂交水稻香125S/Bar68-1进行了栽培应用初步试验,结果表明,杂交水稻香125S/Bar68-1去杂提纯靠专用除草剂,苗期喷施一次Basta(草丁膦的商品名)对保证其纯度和提高产量是至关重要的。旱育软盘秧喷施效果最好。孙海波等[43]研究表明,转bar基因恢复系NT-5-1的T6世代仍保持对Basta的抗性;转bar基因杂交稻3~4 叶期喷施0.1%~0.2% Basta 60 kg/667m2,清除假杂种效果均达100%。肖国樱等[30]对转bar基因抗除草剂两系法杂交早稻的高产栽培技术进行了研究。结果表明,使用除草剂Basta后的纯度达99.98%。理论产量平均达550 kg/667 m2以上。

3.5 机械化制种技术研究

肖国樱等[18]提出一种不育系解决机械化制种和不育系混杂的方法,通过杂交、遗传转化等方法,选育出抗草铵膦和草甘膦/感苯达松的水稻光温敏核不育系EBl85Bs。苯达松也是一种除草剂,由于这些不育系具有抗除草剂的特点,而恢复系不具备,制种时不育系与恢复系可以混播,待授粉完成后喷施除草剂杀死恢复系,成熟后机械化收割不育系上所结杂交种子,而不需要提前人工刈割恢复系;而且恢复系在不育系中均匀分布也可以提高异交率。如果在制种过程中遇到异常低气温,造成不育系少量自交结实而混杂在杂种F1代中,可以通过在杂种F1代秧田喷施苯达松杀死混杂的苯达松敏感不育系,杂交种由于野生基因的显性作用而不受伤害,从而可以保证大田F1代的纯度;此外,秧苗期喷施除草剂可以代替田间种植鉴定杂交种纯度,减少了种植鉴定中的土地占用和人工费用。本设想也可以运用到其他作物中,通过培育一种抗/感除草剂的不育系来一次性解决机械化制种和清除不育系混杂的问题。

4 展望

综上所述,抗除草剂基因在作物中除了有效去除田间杂草的主要作用外,在基因工程、杂交优势利用育种和栽培技术上都有重要应用。在中国抗除草剂基因的利用已成为一个新的研究热点,并取得了很大的进展,科学家利用抗除草剂基因作为筛选标记,结合其他抗性基因质粒如抗旱、抗病虫、提高农艺性状或产品风味的基因,选育高抗且优质的品种;在作物育种方面,抗除草剂不育系与恢复系的利用,水稻、小麦、棉花、油菜、谷子、黄瓜等也创制出不同类型的抗除草剂新种质,这为抗除草剂基因应用于杂种优势提供了具有潜力的材料基础。另外,已经培育出了谷子品种长杂2号、晋谷56号和晋谷57号,水稻品种香125S/Bar68-1。利用抗除草剂基因对杂交种进行纯度快速鉴定与纯度控制技术的研究,使得一些三系、两系、化杀组合已具备了走向生产示范的条件。抗除草剂基因在简化栽培、化学杀雄、机械化制种方面都开始了研究。总之,抗除草剂基因的利用研究越来越引起人们的关注,随着此研究的深入,将不断推进基因工程、作物育种与生产的发展,使21世纪的农业发生重大变革。

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