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自我國首個國產轉基因抗蟲棉晉棉26號于1998年在山西省誕生以來[1],山西省的轉基因抗蟲棉生產發(fā)展得到了較快發(fā)展。迄今為止,全省已全部種植轉基因抗蟲棉,抗蟲棉品種主要來源于自育(自審)和外引(引種),品種類型主要為常規(guī)轉基因抗蟲棉,雜交抗蟲棉僅有少量種植。本研究對山西省棉花區(qū)試參試品種的抗蟲特性等主要性狀進行了多年的跟蹤調查,并對調查結果進行詳細分析,為山西乃至全國的轉基因抗蟲棉的安全發(fā)展提供一定的科學試驗依據。

1試驗材料材料來源于2003-2010年共8年間的山西省棉花區(qū)試,包括了我國山西、河北、山東、河南、四川、江蘇等各省科研單位或種子公司提供的自育或引種材料。本試驗每年從山西省區(qū)試參試材料中隨機取樣200g后播種于山西農業(yè)科學院棉花研究所農場進行試驗。

2檢測內容

2.1連鎖標記基因抗性檢測棉花蕾期用5mmol•L-1卡那霉素水溶液涂抹頂部嫩葉,檢測轉基因抗蟲棉中與抗蟲基因連鎖的標記基因(NPTII)的表達狀況[2]。

2.2材料抗蟲性檢測供試棉鈴蟲為購自中國農業(yè)科學院棉花研究所植保室室內飼養(yǎng)的初孵幼蟲。在棉花蕾期至初花期,每個材料選取上述標記基因檢測為陽性的植株10株,每株取1片頂部剛展開的嫩葉,置于玻璃指形管內,每片葉接種棉鈴蟲1齡幼蟲3頭,4d后觀察葉片被取食情況、幼蟲存活與否及其蟲體大小,用以評判轉基因抗蟲棉的抗棉鈴蟲性能[2]。棉鈴蟲取食葉片情況分級標準:“1+”表示棉鈴蟲取食葉片很少,損傷為很少的小孔,表明抗棉鈴蟲效果很好;“2+”表示棉鈴蟲取食葉片較上略多,損傷為稍多小孔,表明抗棉鈴蟲效果較好;“3+”及更多的“+”表示棉鈴蟲取食葉片較前更多,損傷為更多小孔或成片,表明抗棉鈴蟲效果較差。各級檢測值計算方法:單個參試材料檢測抗蟲株數為1+、2+的材料數除以該參試材料檢測總數。

2.3新病害檢測棉花萎蔫綜合癥(簡稱“萎蔫癥”)是近年來發(fā)生的新病害[3],在棉花生長中期調查其發(fā)生情況,并在收獲時單獨采摘以統計其對產量造成的損失。

2.4產量性狀檢測收獲期取樣調查棉花鈴重、衣分等產量性狀以及纖維品質性狀。全株采收計產。

3結果分析

3.1轉基因抗蟲棉標記基因(NPTII)檢測參試棉花品系的標記基因檢測結果表明,被檢測材料NPTII陽性反應株率達80%~100%的材料數占參試材料的百分率由2003年的33.33%逐漸上升到2010年的91.24%,其中2006-2009年升幅度較大,從47.61%上升到78.26%(表1)。NPTII陽性反應株率達100%的材料數占參試材料的百分率更是由2003年的5.56%逐漸上升到2010年的54.29%。說明2003年轉基因抗蟲棉的標記基因表達較低,純合度不高,而近年來被檢測材料標記基因純合度越來越高。

3.2轉基因抗蟲棉的棉鈴蟲抗蟲性檢測抗棉鈴蟲檢測結果表明:棉鈴蟲取食葉片等級1+和2+(即抗蟲很好與抗蟲較好的全部抗蟲材料)的檢測值≥50%的材料比例由2003年的94.44%逐年下降到2010年的62.86%,其中2008年只有40.91%;1+和2+的檢測值80%~100%的材料比例也由55.56%下降到22.86%,其中2009年只有8.70%;1+和2+的檢測值能達到100%的由2003年的22.22%下降到2010年的5.71%,其中2008年、2009年檢測值為0(表2)。

3.3棉鈴蟲存活率檢測對參試材料的棉鈴蟲存活率檢測結果可知,喂飼4d時棉鈴蟲在其上存活的株率≥70%的材料數所占比例由2004年的6.8%上升到2010年的62.5%;而無蟲株材料比例在2003年為27.77%,之后不斷下降,2007年后則一直為0(表3)。這說明參試材料抗棉鈴蟲綜合效果是在由較高水平逐年向較低水平發(fā)展。在檢測參試材料的同時,另取部分大田生產主栽品種進行檢測,其檢測結果與參試材料趨勢基本相同。

3.4轉基因抗蟲棉新病害檢測及其對產量影響近年來,一種新病害即棉花萎蔫綜合癥在轉基因抗蟲棉田發(fā)生。發(fā)生萎蔫癥的棉株棉鈴發(fā)育遲緩,內容物淀積極不正常,吐絮不暢,棉花產量受嚴重影響。2010年調查的40個材料中,發(fā)病材料有31個,發(fā)生萎蔫癥的材料占參試材料的77.5%;萎蔫癥發(fā)病株率為2.6%~68.6%。當萎蔫癥發(fā)病株率10%~20%時,皮棉減產37.42%~27.84%,但也有33.3%的材料增產(產量形成是多種因素,少部分材料發(fā)病卻增產,可能與品種本身生產能力強有關);當萎蔫癥發(fā)病株率在30%~70%時,所有材料都減產,減產比例達39.20%~71.71%,呈現發(fā)病株率越高減產比例越大的趨勢(表4)。3.5轉基因抗蟲棉產量性狀分析對山西省多年區(qū)試抗蟲棉產量結果分析表明,在2004-2010年,參試轉基因抗蟲棉材料的平均產量逐年升高(圖1),最高值2004年為1218kg•hm-2,2005年為2054kg•hm-2,2009年達2574kg•hm-2,2010年最高值為2395kg•hm-2。從參試材料看,常規(guī)轉基因棉花產量已維持在較高水平。近年也有少量雜交轉基因抗蟲棉參加區(qū)試,與常規(guī)抗蟲棉相比,增產幅度并不是很大。參試材料平均鈴重:2004-2010年為4.0~7.0g(圖2),2010年極值達7.5g。但是衣分變化幅度不大,不同參試材料的衣分保持在35%~40%。

4討論

2003年以來的山西省棉花區(qū)試參試材料考察結果說明:首先,在山西省參加區(qū)試的材料中,來自外省的材料經常占到1/3左右,因此,本文的結果在一定程度上應能反映北方棉區(qū)的現狀。其次,我國棉花產量已維持在較高水平,國產轉基因抗蟲棉研發(fā)速度很快,棉花產量水平提高幅度較大。另外,抗蟲棉品種的萎蔫綜合癥發(fā)生嚴重,如何預防這一病害的發(fā)生仍需深入研究。從本實驗結果來看,轉基因棉花攜帶的標記基因純合度提高較快,但由于對攜帶的抗棉鈴蟲目的基因選擇壓力嚴重不夠,導致抗蟲棉的抗蟲能力呈下降趨勢。因此,對于轉基因抗蟲棉新品種選育,除了以抗性標記基因作為田間選育抗蟲棉方法外,更應注重提高抗蟲基因的選育水平,二者緊密結合,以保證選育抗蟲棉抗蟲性水平的穩(wěn)定,從而避免以標記基因作為抗蟲棉選育依據造成抗蟲棉抗性的下降。此外,新的復合性狀轉基因棉花是轉基因棉花育種的發(fā)展趨勢[4],在這一背景下,需不斷挖掘新的抗主要害蟲、抗除草劑、抗病等基因,并將多個外源基因組裝在一起,采用新的快速、簡便、高效方法進行轉化,加快選育新型的轉基因棉花,從而提高轉基因抗蟲棉生產的效率和拓寬抗蟲棉的抗蟲性能。