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河北省杂交棉培育现状及发展趋势

来源: 作物杂志
阅读 37 | 0 | 2019-10-26 |

杂种优势利用是棉花育种发展的必然。杂种优势是指杂种在产量、纤维品质、抗逆性等方面优于双亲均值或优于双亲中较好的亲本的现象。与常规棉相比,杂交棉具有出苗快、苗健壮、植株高、开花早、铃大而多、适应性广、高产等特点[1]。由于劳动力成本不断提高,降低棉花生产成本成为必然趋势,这给河北省杂交棉育种及杂种优势利用研究提出新的挑战。对河北省杂交棉的研究进展作一些初步探讨,为河北省杂交棉培育提供参考。

1 河北省杂交棉研究概况

1.1 河北省杂交棉的培育

河北省20世纪30年代初开始进行棉花杂交育种研究,研究之初主要用于教学实践。新中国成立后,河北省农林科学院开始有针对性地进行棉花杂交育种,至1959年共配制100多个杂交组合,并总结了杂交育种的经验,但此时一直没有育成好的品种。1959年以后,河北省杂交棉选育研究的方向发生变化,主要是在生产上应用F2,所配组合F1较对照品种增产20%以上,F2增产幅度在10%左右,并对部分增产的F2在生产上进行大面积示范[2]。1993年4月,河北省农林科学院棉花研究所培育的第一个F2品种“杂29”通过河北省审定,定名为“冀棉18”。该品种也是河北省第一个品种间杂交棉品种,在生产上实现了大面积推广[3]。河北省第一个国审杂交棉品种是邯郸市农业科学院2005年通过审定的“银棉2号”,为双价转基因抗虫三系杂交棉[4]。至2017年,河北省共审定杂交棉品种63个,全国三大棉区共审定杂交棉品种593个[5-6],河北省占10.6%,说明河北省杂交棉培育处在全国前列,占有非常重要的地位。63个品种包括省审品种50个,国审品种20个,既通过国审又通过省审品种7个。其中,河北省农林科学院棉花研究所省审品种13个,国审品种5个;邯郸市农业科学院省审品种9个,国审品种7个;河北省农林科学院粮油作物研究所省审品种5个,国审1个;河北农业大学省审品种4个;石家庄市农业科学研究院省审品种3个,国审品种1个;河间市国欣农村技术服务总会省审品种3个,国审品种4个;其他单位或个人省审品种13个,国审品种2个。

1.2 制种技术

河北省棉花杂种优势利用中,至今仍无令人满意的高效率、低成本的生产杂交种种子的方法,现阶段主要的制种方法有以下2种。

1.2.1 人工去雄授粉

人工去雄授粉制种是河北省乃至全国最普遍的杂交制种方式。这种方法主要是人工除去母本花朵中雄蕊,授以父本花粉,以产生杂种种子。其主要优点是选配亲本容易,只要亲本选配得当,易选出高优势组合,缺点是制种工作量大,持续时间长,造成制种成本较高,适用于劳动力较多的地区。河北省重视杂交制种技术研究,河北省农林科学院棉花研究所研制的“棉花去雄授粉简易器械”,其去雄授粉速度是手工的2倍;“一种棉花区位杂交制种方法”获国家发明专利,杂交制种产量增加10%~13%;国家实用新型专利“一种棉花去雄器”[7-8]大大提高了制种效率,进行杂交棉制种时,制种产量显著提高,降低了制种成本和劳动强度。以河北省农林科学院棉花研究所2017年在行唐县南郤凹制种为例,制种田可得净收入90 000~120 000元/hm2,在农民利益充分满足的情况下,棉花杂交制种工作顺利进行。因此,在我国农村劳动力充裕的地方,建立棉花杂交制种基地,为棉花杂交种推广奠定基础。

河北省杂交棉制种田父母本比例及母本种植密度是决定制种产量高低的重要因素。根据多年杂交棉育种经验,父母本均为抗虫材料时,父母本最佳种植比例为1∶10,母本种植密度为33 000~40 000株/hm2;当父本为不抗虫材料时,父母本最佳种植比例为1∶8,母本种植密度为30 000~38 000株/hm2

为了免去人工去雄环节,在不损坏雌配子正常受精结铃的情况下,可以用化学药剂杀死雄配子。在棉株上尝试过的α,β-二氯异丁酸钠酯、二氯丙酸钠等药剂,均有不同程度杀死雄配子的效果[9]。但由于化学杀雄剂在大面积使用时效果不够稳定、用药量较难掌握、可能引起药害,且易受地区和气候影响,因此目前在生产上运用较少。

1.2.2 三系法

三系法是利用雄性不育系、保持系和恢复系“三系配套”生产棉花杂交种的一种方法。不育系是受核质互作遗传控制的细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility,CMS),可有效抑制花粉的产生。CMS一般不影响雄性不育性,用保持系的花粉给不育系授粉能保持后代不育;授以恢复系的花粉,恢复系中的恢复基因可抑制胞质不育系的不育性,使育性恢复[10]。三系法操作简单规范,提高了所制杂交种的纯度;不用人工去雄,只需人工授粉,省时省工。如果蜜蜂传粉问题完全解决,将彻底省去人工授粉环节,大幅度降低制种成本;选择合适配套的不育系和恢复系,能够进行大规模制种。因此,三系法制种是实现棉花杂种优势利用最为有效的途径。河北省通过审定的第一个“三系”杂交种为“银棉2号”,是邯郸市农业科学院和中国农业科学院生物技术研究所合作选育的高产、抗虫、抗病三系杂交棉品种。“银棉2号”为我国第一个双价转基因抗虫三系杂交棉,解决了棉花常规杂交制种中存在的用工大、成本高、耗时长、假“杂种”等问题。此后,河北省先后审定“邯杂98-1”[11]、“邯杂429”[12]、“邯杂301”[13]、“冀FRH3018”[14]等“三系”杂交棉品种。

1.3 河北省培育的杂交棉品种主要性状分析

1.3.1 皮棉产量分析

河北省培育的第一个杂交棉品种“冀棉18(杂29)”的皮棉产量为1 255kg/hm2,第二个审定品种“杂66 F1”的皮棉产量为1 278kg/hm2,产量均未超过1 400kg/hm2。2003年后,通过审定的杂交棉品种逐渐增多,尤其是2005年以后,每年平均审定近4个品种。由图1可知,河北省杂交棉品种皮棉产量2003年最高,主要因为2003年气候条件适宜棉花生长,棉花产量普遍较高,因而审定的杂交棉品种皮棉产量较高,达到1 950kg/hm2。由于苗期低温及生育中后期低温多雨天气频发,致使2006-2007年审定杂交棉品种的产量低于2005年审定品种[15]。2007年以后,河北省杂交棉品种的皮棉产量逐渐提高,并趋于稳定,2008-2015年,皮棉产量维持在1 500~1 650kg/hm2,2016-2017年皮棉产量有所提高。

图1 河北省培育杂交棉品种皮棉产量变化情况

Fig.1 Changes of lint yield of hybrid cotton cultivated in Hebei Province

图1 河北省培育杂交棉品种皮棉产量变化情况

1.3.2 纤维品质分析

根据河北省种子管理总站2017年发布的《河北省主要农作物审定标准》,将历年河北省审定的杂交棉品种的纤维长度、断裂比强度、马克隆值进行了分级分档,结果见表1。

由于“冀棉18”审定时间较早,测量纤维品质计量单位不同,河北省品种审定委员会公告为上等优级。其余49份[16]均按《河北省主要农作物审定标准》进行分级。纤维长度以Ⅱ型(纤维上半部平均长度范围29.0~30.9mm)为主,有39个品种,占79.59%;纤维长度为Ⅰ型品种(纤维上半部平均长度≥31.0mm)有5个,占10.20%。纤维断裂比强度以Ⅲ型(≤29.9cN/tex)为主,有26个,占53.06%;纤维断裂比强度为Ⅱ型(30.0~31.9cN/tex)的杂交棉品种有21个,占42.86%;纤维断裂比强度为Ⅰ型(≥32.0cN/tex)的杂交棉品种只有2个。马克隆值为Ⅰ型(3.7~4.2)的杂交棉品种有3个,占6.12%;马克隆值为Ⅱ型(3.5~3.6、4.3~5.0)有27个杂交棉品种,占55.10%;马克隆值为Ⅲ型(5.1~5.5)的有19个杂交棉品种,占38.78%。由以上分析可知,纤维长度分布比较集中,缺少Ⅰ型品种,主要是Ⅱ型;纤维断裂比强度缺少高强、超强品种,只审定2个Ⅰ型品种,主要以Ⅲ型和Ⅱ型品种为主;马克隆值主要是Ⅱ型和Ⅲ型,缺少Ⅰ型。以上结果说明河北省育成的杂交棉品种纤维较粗,断裂比强度不够。

表1 河北省审定抗虫杂交棉品种纤维品质变化分档

Table 1 Steps of fiber of hybrid cotton approved in Hebei Province

表1 河北省审定抗虫杂交棉品种纤维品质变化分档

注:上半部平均长度Ⅰ型≥31.0mm,Ⅱ型为29.0~30.9mm,Ⅲ型≤28.9mm。断裂比强度Ⅰ型≥32.0cN/tex,Ⅱ型为30.0~31.9c N/tex,Ⅲ型≤29.9c N/tex。马克隆值Ⅰ型为3.7~4.2,Ⅱ型为3.5~3.6、4.3~5.0,Ⅲ型为5.1~5.5。下同

Note:Upper half mean length TypeⅠ≥31.0mm,TypeⅡis 29.0-30.9mm,TypeⅢ≤28.9mm.Breaking tenacity TypeⅠ≥32.0cN/tex,TypeⅡis 30.0-31.9cN/tex,TypeⅢ≤29.9cN/tex.Micronaire value TypeⅠis 3.7-4.2,TypeⅡis 3.5-3.6 and 4.3-5.0,TypeⅢis 5.1-5.5.The same below

根据《主要农作物品种审定标准》(国家级),将历年通过国家审定的杂交棉品种的纤维长度、断裂比强度、马克隆值进行了分级分档,结果见表2。

表2 国审抗虫杂交棉品种纤维品质变化分档

Table 2 Steps of fiber of hybrid cotton approved in China

表2 国审抗虫杂交棉品种纤维品质变化分档

至2017年,河北省共20个杂交棉品种[16]通过国家品种委员会审定。纤维长度以Ⅱ型(纤维上半部平均长度范围29.0~30.9mm)为主,有16个品种,占80%,1个Ⅰ型品种(纤维上半部平均长度≥31.0mm),占5%。纤维断裂比强度以Ⅱ型(断裂比强度范围30.0~31.9c N/tex)为主,有11个,占55%,Ⅲ型(断裂比强度≤29.9cN/tex)8个,占40%,Ⅰ型(断裂比强度≥32.0cN/tex)只有1个。马克隆值Ⅱ型(3.5~3.6、4.3~5.0)15个品种,占75%,Ⅲ型(5.1~5.5)5个品种,占25%,无Ⅰ型(3.7~4.2)品种。由以上分析可知,纤维长度分布比较集中,缺少Ⅰ型品种,主要是Ⅱ型;纤维断裂比强度缺少高强、超强品种,只审定1个Ⅰ型品种,主要是Ⅱ型品种;马克隆值主要是Ⅲ型和Ⅱ型,缺少Ⅰ型,尤其是近几年,审定的品种全是Ⅲ型品种,说明育成的杂交棉品种纤维较粗。

从总体上来看,在不考虑“冀棉18”的情况下,通过河北省审定的杂交棉品种和通过国家审定的河北杂交棉品种,没有在纤维长度、断裂比强度和马克隆值均达到Ⅰ型的品种。通过河北省审定的杂交棉品种达到Ⅱ型的有14个,占28.57%;通过国家审定的河北省杂交棉品种达到Ⅱ型的有7个,占35%,Ⅲ型品种最多。综合分析得知,主要是杂交棉的纤维断裂比强度和马克隆值限制了杂交棉品种的纤维品质提升。

1.3.3 抗病性分析

63个通过审定的杂交棉品种的枯萎病抗性共分3类:高抗枯萎病(HR)、抗枯萎病(R)、耐枯萎病(T)。由图2可以看出,高抗枯萎病杂交棉品种有21个,占33%;抗枯萎病品种有35个,占56%;耐枯萎病品种有7个,占11%。由此可见,河北省的杂交棉枯萎病抗性已达到较高水平,如果今后严把审定关,有效控制耐枯萎病棉花品种的审定,将实现全部棉花品种达到抗枯萎病,实现抗枯萎病特性的跨越。

图2 河北省培育杂交棉品种枯萎病抗性

Fig.2 The resistant of Fusarium wilt of hybrid cotton cultivated in Hebei Province

图2 河北省培育杂交棉品种枯萎病抗性

全部通过审定的杂交棉品种的黄萎病抗性分为3类,分别为抗黄萎病(R)、耐黄萎病(T)、感黄萎病(S)。由图3可知:耐黄萎病品种有58个,占92%,感黄萎病品种有4个,占6%,只有1个抗黄萎病品种“冀杂1号”,是我国第一个通过国审的高抗枯萎病、抗黄萎病的“双抗”转Bt基因抗虫杂交棉品种,对降低棉花生产中由枯黄萎病引起的损失、控制棉铃虫的危害、促进棉花生产具有重大意义[17]。由此可见,河北省杂交棉品种的黄萎病抗性主要是耐级,提高抗黄萎病品种审定数量,减少审定感黄萎病品种,将有效提高河北省杂交棉品种的黄萎病抗性。

图3 河北省培育杂交棉品种黄萎病抗性

Fig.3 The resistant of Verticil ium wilt of hybrid cotton cultivated in Hebei Province

图3 河北省培育杂交棉品种黄萎病抗性

通过分析,审定杂交棉品种的产量得到了有效提高并趋于稳定,皮棉产量维持在1 500~1 650kg/hm2;纤维品质中马克隆值是阻碍棉花品级提高的主要指标,其次是纤维断裂比强度;抗病性中枯萎病抗性问题已得到控制,黄萎病抗性有待提高。所以,今后杂交棉育种应以改良棉花纤维细度,提高纤维断裂比强度和黄萎病抗性为主。

2 河北省杂交棉育种中存在的问题

2.1 种子纯度难保证

杂交种的纯度和真实性是制约杂交棉发展的重要因素。目前,河北省杂交棉基本是人工杂交制种,即人工去雄授粉制种。亲本纯度、制种环节、收购环节、加工环节等都可能影响到杂交棉种子的纯度,即使制种单位监管到位,如若制种田空间隔离不到位,也难以保证种子的纯度[18]。另外,制种单位重视制种环节、忽视收购环节,允许农户自由收摘、晾晒的现象普遍存在;由于棉花杂交种子市场价格较高,用常规棉种冒充杂交棉种或用F2杂交种冒充F1杂交种现象也时有发生。

2.2 重产量轻品质

由于杂交棉育种本身特点,育成品种一般高产,品质不好。由前文可知,河北省培育的杂交棉品种,皮棉产量普遍较高,但纤维品质普遍为Ⅱ型和Ⅲ型,Ⅲ型较多,优质杂交棉品种较少。通过河北省审定的50个杂交棉品种中,在不考虑“冀棉18”的情况下,Ⅰ型品种没有,Ⅱ型品种较少,只有14个,大部分是Ⅲ型品种,达到35个,占比71.4%。通过国家审定的杂交棉品种,也没有Ⅰ型品种,Ⅱ型品种7个,占35%,Ⅲ型品种13个,占65%。

2.3 制种环节多、成本高

制种环节多,成本高,管理困难是制约河北省杂交棉发展推广的主要限制因子之一。河北省棉花制种主要采用人工去雄和人工授粉的方式,工序复杂,费工、费时。据统计,制种田仅去雄授粉就需要劳动力1 800~2 000个/hm2,劳动强度很大,且制种时间一般为炎热的7、8月,加大了制种难度。以河北省石家庄为例,2004年劳动力价格为10元/d,2017年劳动力价格为120元/d左右,仅去雄授粉的价格涨到12倍,但杂交种的销售价格却增长缓慢,加之农民外出务工人数不断增加,杂交棉制种与劳动力供需矛盾日益突出。三系杂交制种技术虽然不需要人工去雄,但同样面临着劳动力短缺的问题。在这方面,河北省农林科学院棉花研究所王兆晓、邯郸市农业科学院马维军尝试进行蜜蜂传粉三系制种(网室棉花)研究,但进展不大,未能进行大面积推广[19]。石家庄市行唐县农民棉花育种人宇文钢发明“光温敏核不育系杂交制种技术”,并申请了发明专利,这种方法显著降低杂交制种成本,提高制种效率,但由于其育性的不稳定性,在生产上尚未得到应用[20-21]

2.4 播种和管理的欠缺

河北省是植棉大省,近年植棉面积仍有25万hm2左右[22],其中杂交棉面积3万hm2左右。传统的播种量和单一的管理方式是造成这种现象的主要原因。由于杂交棉适合稀植,用种量15kg/hm2左右,但棉农播种时喜欢传统的播种方式,播种量22.5kg/hm2,甚至更多。以河北省邢台南宫市大屯乡赵明桥村种植方式为例,传统方式播种需种22.5kg/hm2,多播种7.5kg/hm2,杂交种按90元/kg计算,购种成本就增加了675元/hm2。播种量大,一是增加了农民的购种成本,降低植棉的积极性;二是杂交棉种植密度过大,不利于发挥其优势,加之传统的管理方法,杂交棉结铃多,但密度大烂桃也非常多,单产没有达到预期要求,棉农看不到效益,直接降低了种植杂交棉的积极性,从而加大了推广难度。

3 河北省杂交棉的发展建议

3.1 简化制种方式

制种方式繁杂是制约杂交棉发展的一个重要因素,因此简化制种方式,提高制种效率是实现利用棉花杂交种的一个关键[23]。马维军尝试进行蜜蜂传粉三系制种(网室棉花)研究,但进展不大,未能进行大面积推广[19]。宇文钢发明“光温敏核不育系杂交制种技术”,这种方法显著降低杂交制种成本,提高制种效率[20-21]。化学杀雄可以省去人工去雄,节省制种用工,何六奇等[24]、华兴鼐[25]、张传忍等[26]、张学贤[27]开展了相关研究,但效果不佳,未能解决大面积使用药剂时杀雄效果不稳定和用药量难掌握的问题。另外,研制更加简便适合的去雄、花粉采集及授粉器械也是快速有效提高制种效率的方法。

高优势三系杂交棉的育成,不仅可以确保种子质量,避免“假杂种”,而且可以减少用人工数量,降低制种成本,有效缓解杂交棉制种用人工需求和劳动力短缺的矛盾[28]。据陈全求等[29]研究发现,三系杂交种制种的效益是人工制种的3倍。根据河北省的实际情况,要加大“三系”杂交棉育种,在优化育种方法的同时,利用现代生物技术与常规育种方法结合,创造新型“不育系”和“恢复系”,不断推出强优势的三系杂交组合,争取进行商业化生产[30]

3.2 强化杂交棉品质育种

河北省是我国的植棉大省,植棉历史悠久,棉花单产高,种植面积大,是我国主产棉省之一。但随着国家政策的改变,粮棉比价下降,且棉花价格不稳,植棉成本居高不下,棉农植棉积极性受到影响,尤其是2011年以后,棉田面积逐年减少,杂交棉种植面积随之降到最低[22]。同时,随着社会进步和人民生活水平的提高,对高品质棉的需求日益增加,在此背景下,大力培育优质杂交棉品种成为河北省棉花发展的主要方向。河北省审定杂交棉品种马克隆值普遍较高,纤维断裂比强度较低,棉纤维较粗,在今后的选育中,要重点提高杂交棉品种的纤维断裂比强度、降低马克隆值,同时增加纤维长度。

3.3 加强杂交种F2的研究利用

棉花杂交种F2主要产量性状仍有明显优势,在生产上仍具有一定利用价值[31-32]。河北省非常注重棉花杂交种F2的使用,1993年河北省审定的“冀棉18(杂29)”,为河北省第一个通过审定的种间F2品种,其增产效果达到20%以上,累积推广面积70万hm2左右。棉花杂交种F2虽然不及F1增产优势明显,但仍有8%~10%增产效果,与常规品种相比,仍具有一定的优势。杂交种F2的有效利用,关键是亲本的选择,双亲应选择纤维长度相差不大、F2品质不影响纺织使用,丰产性好,抗枯萎病、耐黄萎病品种,便于在生产上大面积应用。继续加强F1杂交种的研究利用,培育产量品质相协调的F2杂交种,为制种企业节约成本,提高制种积极性,促进河北省杂交棉的发展。

3.4 轻简化种植方式是杂交棉育种的主攻方向

棉花轻简化栽培是指采用与当地经济水平和经营方式相适应的现代农业装备和技术代替人工作业、减轻劳动强度,简化种植管理、减少田间作业次数,农机农艺融合、良种良法配套,实现棉花生产轻便简捷、节本增效的耕作栽培方式和方法[33]。这为杂交种的选育提供了方向和挑战,在目前耕地数量有限的情况下,棉花品种在具有某些必不可少的优良特性的前提下,高产仍是棉花育种的首要目标,因为产量是植棉效益的基础[34]。因此,为适应生产要求,棉花杂交种选育必须在高产的基础上,进一步提高品质和抗性,同时在农艺性状上满足轻简化栽培的要求。2018年,河北省农林科学院棉花研究所培育的杂交棉品种“冀1518”,是河北省第一批机采棉品种,也是唯一一个纤维品质达到Ⅱ型标准的机采棉品种,填补了河北省机采棉品种的空白。适机采杂交棉“冀1518”的培育成功,为杂交棉品种的培育提供了方向。

3.5 利用现代生物技术提高育种效率

传统的育种技术繁琐,周期较长,而现代生物技术可以突破传统育种技术的瓶颈,人为选择目标性状,快速创建新材料、新种质,受到棉花育种者关注。利用转基因技术,可以向棉花导入新的目标基因,打破了物种间的隔离,提高杂交棉育种选择效率,克服棉花产量和纤维品质的负相关性,实现棉花产量和品质的同步改良。分子标记可以在分子水平上揭示棉花不同材料之间存在的遗传差异,寻找与目标性状紧密连锁的分子标记,用于棉花育种实践,提高育种效率。同时,分子标记可以有效鉴定“假杂种”,不受时间和空间限制,可以在植株发育的任何阶段、任何组织器官进行检测。因此将分子辅助育种、转基因技术结合到杂交育种中,可以提高育种速度和效率,真正实现从“经验育种”到“精确育种”转变[35]

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Status and Developmental Tendency of Hybrid Cotton in Hebei Province

杂交育种技术仍是目前棉花育种采用的主要手段。河北省自20世纪30年代开展杂交育种以来,截止到2017年,共育成63个杂交棉品种,其中河北省审定杂交棉品种50个,占河北省审定所有棉花品种的24.9%。对河北省审定的杂交棉品种分析表明,产量得到了逐步提高并趋于稳定,纤维品质中断裂比强度和马克隆值是阻碍棉花品级提高的主要原因;枯萎病抗性问题基本解决,但黄萎病抗性急需提高。同时还分析了河北省杂交棉存在的主要问题,提出了河北省杂交棉培育的发展建议。Hybrid breeding is the main means to improve crop varieties, including interspecific hybridization which is commonly used in cotton breeding. Hybrid breeding has been developing since 1930 in Hebei Province. 63 hybrid cotton varieties had been released by 2017. Among these varieties, 50 hybrid cotton varieties were approved by the Hebei Crop Variety Approval Committee. Cotton yields were increased gradually based on the analysis of 63 hybrid cotton varieties. Breaking tenacity and micronaire value were the main limiting factors for enhancing the level of cotton grade. The resistance of Fusarium wilt was overcome in general for hybrid cotton varieties, but the resistance of Verticillium wilts required urgent improvement. The breeding of Verticillium wilts-resistant hybrid cotton varieties is the most important task in the future. The situation and problems in hybrid cotton breeding were analyzed, and the trend for future development of hybrid cotton in Hebei Province were proposed.

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