我國耐除草劑棉花研發(fā)與育種應(yīng)用

梁成真，金雙俠

·導(dǎo)讀·

我國耐除草劑棉花研發(fā)與育種應(yīng)用

梁成真1，金雙俠2

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

棉花是世界上最主要的天然纖維來源，也是重要的油料和飼料兼用作物，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位[1-3]。經(jīng)過近30年的努力，我國基本解決了棉鈴蟲危害，棉花單產(chǎn)居世界前列，優(yōu)質(zhì)進(jìn)程也明顯加快[4]。近年來，草害上升為我國棉花生產(chǎn)的主要危害之一。棉田雜草不僅競爭水分、養(yǎng)分和光照，而且滋生病害和蟲害，嚴(yán)重影響棉纖維的產(chǎn)量和品質(zhì)，給棉花生產(chǎn)帶來極大危害[5-6]，成為亟待解決的產(chǎn)業(yè)問題。1996年全世界第一例轉(zhuǎn)基因耐除草劑大豆GTS40-3-2商業(yè)化以來，耐除草劑作物在玉米、大豆和棉花等作物中得到廣泛的應(yīng)用[7]。目前，具有耐除草劑性狀作物占全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積的80%左右[7-9]。美國率先通過導(dǎo)入用根癌農(nóng)桿菌（sp. CP4）5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase，EPSPS）編碼基因獲得耐草甘膦除草劑棉花，并于1997年商業(yè)化種植。由于其顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，耐除草劑棉花全美種植面積占比從1997年的3.2%增加到2005年的60%，目前穩(wěn)定在90%左右[7-9]。近年來，我國在耐除草劑新基因克隆和耐除草劑棉花種質(zhì)創(chuàng)制等方面都取得顯著的進(jìn)展，且部分耐除草劑種質(zhì)已進(jìn)入農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全性評(píng)價(jià)流程[10]，但是，我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐除草劑棉花產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍然滯后。本專題展示了我國耐除草劑棉花創(chuàng)制和轉(zhuǎn)基因安全性評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展，以期加快國產(chǎn)耐除草棉花的育種應(yīng)用，為培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高抗棉花新品種提供種質(zhì)資源和應(yīng)用指導(dǎo)。

農(nóng)桿菌介導(dǎo)法是棉花廣泛應(yīng)用的遺傳轉(zhuǎn)化方法，具有效率高、拷貝數(shù)低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[11]。然而，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)遺傳轉(zhuǎn)化法進(jìn)行基因操作時(shí)，T-DNA整合到植物染色體的位置具有隨機(jī)性，可能會(huì)導(dǎo)致外源或內(nèi)源基因表達(dá)的沉默或功能缺失[12]。陸地棉占棉花總產(chǎn)的95%以上，但由于其基因組是復(fù)雜的異源四倍體，基因組較大且含有高比例的重復(fù)序列[1-3]，棉花遺傳轉(zhuǎn)化中T-DNA序列整合位點(diǎn)以及邊界序列的狀態(tài)尚難以精準(zhǔn)的控制。因此，對(duì)比研究轉(zhuǎn)基因作物不同世代的外源基因DNA整合、基因表達(dá)、蛋白表達(dá)、目的性狀及農(nóng)藝性狀等遺傳穩(wěn)定性，是轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化應(yīng)用的前提[13]。本專題論文《耐除草劑棉花GGK2的遺傳穩(wěn)定性分析及性狀鑒定》[14]對(duì)連續(xù)3代轉(zhuǎn)基因棉花GGK2的檢測結(jié)果顯示，外源目的基因穩(wěn)定的整合到棉花基因組中，目的基因、和篩選標(biāo)記基因的拷貝數(shù)、蛋白表達(dá)量、草甘膦耐受性以及農(nóng)藝性狀等在不同代際間均無顯著差異，并且轉(zhuǎn)基因棉花GGK2能夠耐受田間使用中劑量4倍的草甘膦濃度，農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)品質(zhì)與對(duì)照組相比無顯著差異，達(dá)到了生產(chǎn)用耐除草劑棉花對(duì)草甘膦除草劑的耐受水平。未來，與生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的國產(chǎn)抗蟲棉品種雜交，可獲得同時(shí)抗棉鈴蟲和耐除草劑的棉花新品種?？傊?，轉(zhuǎn)基因棉花GGK2是高耐除草劑且穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因材料，目前已經(jīng)進(jìn)入轉(zhuǎn)基因安全性評(píng)價(jià)生產(chǎn)應(yīng)用證書申報(bào)階段，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

草甘膦除草劑自1974年商業(yè)化以來，成為世界上用量增長最快、生產(chǎn)量最大的農(nóng)藥，目前年用量100萬t左右，占全世界除草劑市場份額的30%以上[7-10]。近年來，除了之外，從抗草甘膦的微生物中分離鑒定到數(shù)個(gè)類基因并應(yīng)用于耐除草劑作物的培育，如[15]、[16]、[6]、[10]等。盡管都屬于EPSPS類蛋白，但是它們和CP4 EPSPS序列相似性相對(duì)較低，因此，能夠獲得專利權(quán)，為培育具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐除草劑作物提供了基因基礎(chǔ)。本專題論文《轉(zhuǎn)+耐草甘膦優(yōu)異棉花種質(zhì)系的創(chuàng)制及其特性》[17]利用耐輻射奇球菌（）EPSPS基因轉(zhuǎn)化中棉所49，獲得3個(gè)穩(wěn)定遺傳的單拷貝整合的轉(zhuǎn)化體ZD131、ZD185和ZD207，T-DNA插入位點(diǎn)分別在D7、D13和A12染色體。3個(gè)轉(zhuǎn)基因株系均耐受4倍田間草甘膦推薦劑量且生長發(fā)育正常。有意思的是，轉(zhuǎn)基因株系棉鈴大小、衣分、結(jié)鈴性等產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)均優(yōu)于對(duì)照組，說明其具有較好的應(yīng)用潛力。本專題另外一篇論文《轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉花R1-3株系的分子特征鑒定》[18]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化基因，獲得穩(wěn)定遺傳的耐草甘膦除草劑棉花R1-3。同樣，R1-3棉花中T-DNA為單拷貝插入，整合位點(diǎn)在A11或D11染色體基因間隔區(qū)，未破壞受體棉花的內(nèi)源基因，也未發(fā)現(xiàn)對(duì)插入位點(diǎn)附近基因表達(dá)的影響。ZD系列和R1-3等耐除草劑棉花的創(chuàng)制，豐富了我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)耐除草劑棉花種質(zhì)資源的儲(chǔ)備，與GGK2棉花共同形成了國產(chǎn)耐除草劑棉花產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的梯隊(duì)系列產(chǎn)品，為保障我國耐除草劑棉花穩(wěn)定健康發(fā)展奠定了資源基礎(chǔ)。

盡管草甘膦是全球第一大除草劑品種，但是長期大面積使用單一類型的除草劑，容易導(dǎo)致雜草抗藥性、基因逃逸、藥害殘留等問題[19]。研發(fā)安全高效且環(huán)境友好的新型除草劑，培育與之相匹配的抗性作物是未來解決草害問題的發(fā)展方向。近年來，功能基因組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)的快速發(fā)展為解決雜草危害提供了新的切入點(diǎn)。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是基因編輯技術(shù)在棉花中的廣泛應(yīng)用[19-28]，為培育新型耐除草劑棉花提供了新策略。本專題論文《后基因組時(shí)代發(fā)展抗除草劑作物的機(jī)遇及挑戰(zhàn)》[29]從3個(gè)層面系統(tǒng)綜述了耐除草劑作物的發(fā)展，一是除草劑靶標(biāo)基因與作用機(jī)制研究層面，系統(tǒng)總結(jié)了幾種不同作用機(jī)制的除草劑靶標(biāo)基因，比如植物氨基酸生物合成、植物脂類代謝、植物類胡蘿卜素、質(zhì)體醌和生育酚生物合成途徑的研究進(jìn)展。二是新型耐除草劑基因挖掘與除草劑系統(tǒng)層面，重點(diǎn)介紹了2種挖掘新型抗除草劑基因與除草劑系統(tǒng)的方法，包括基于CRISPR/Cas系統(tǒng)對(duì)作物內(nèi)源除草劑靶標(biāo)基因進(jìn)行定向突變、定向激活法和天然產(chǎn)物與生物體存在共同進(jìn)化理論的抗性基因?qū)蚍āＨ悄统輨┳魑锱嘤龑用?，系統(tǒng)總結(jié)了3種培育抗除草劑作物方法，包括常規(guī)育種培育法、轉(zhuǎn)基因育種培育法和基于CRISPR/Cas基因組編輯技術(shù)培育法，并且重點(diǎn)介紹了CIRSPR/ Cas系統(tǒng)、堿基編輯技術(shù)和Prime-editing系統(tǒng)在培育抗除草劑作物中的研究進(jìn)展。在后基因組時(shí)代，針對(duì)雜草防治中抗性雜草發(fā)生、環(huán)境安全和基因逃逸等挑戰(zhàn)，基因組編輯技術(shù)的快速發(fā)展為雜草防治提供了新策略和機(jī)遇。

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Advancements in Herbicide-Tolerant Cotton Research and Breeding in China

LIANG Chengzhen1, JIN Shuangxia2

1Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2College of Plant Science & Technology of Huazhong Agricultural University/National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Wuhan 430070

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.17.001

2023-07-27；

2023-08-01

國家自然科學(xué)基金（32072115）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)

通信作者梁成真，E-mail：liangchengzhen@caas.cn。通信作者金雙俠，E-mail：jsx@mail.hzau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李莉）