我国耐除草剂棉花研发与育种应用.docx

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1、我国耐除草剂胡陵与应用棉花是世界上最主要的天然纤维耒源，也是重要的油料和饲料兼用作物，在国民经济中具有重要的战略地位13.经过近30年的努力，我国基本解决了棉铃型危害，棉花单产居世界前列，优质进程也明显加快4。近年来，草害上升为我国棉花生产的主要危害之一。棉田杂草不仅竞争水分、养分和光照，而且滋生病害和虫害，严重影响棉纤维的产量和品质，给棉花生产带来极大危害56,成为亟待解决的产业问题。1996年全世界第一例转基因耐除草剂大豆GTS4O-3-2商业化以来，耐除草剂作物在玉米、大豆和棉花等作物中得到广泛的应用7。目前，具有耐除草剂性状作物占全球转基因作物种植面积的80%左右7-9。美国率先通过导

2、入用根瘙农杆菌sp.CP4)5-烯尊式丙酮酰莽草酸3-磷酸合成诲(5-eno1pyruvy1shikimate-3-phosphatesynthase,EPSPS)编码基因获得耐草甘瞬除草剂棉花，并于1997年商业化种植。由于其显著的经济、社会和生态效益,耐除草剂棉花全美种植面积占比从1997年的3.2%增加到2005年的60%,目前稳定在90%左右7-9。近年来，我国在耐除草剂新基因克隆和酎除草剂棉花种质创制等方面都取得显著的进展，且部分耐除草剂种质已进入农业转基因生物安全性评价流程10,但是，我国自主知识产权的耐除草剂棉花产业化应用仍然滞后。本专题展示了我国耐除草剂棉花创制和转基因安全性评

3、价的研究进展，以期加快国产耐除草棉花的育种应用，为培育高产优质高抗棉花新品种提供种质资源和应用指导。农杆菌介导法是棉花广泛应用的遗传转化方法，具有效率高、拷贝数低.稳定性好等优点11。然而，利用农杆菌介导遗传转化法进行基因操作时，T-DNA整合到植物染色体的位置具有陨机性，可能会导致外源或内源基因表达的沉默或功能缺失12。陆地棉占棉花总产的95%以上，但由于其基因组是复杂的异源四倍体，基因组较大且含有高比例的重曳序列16,棉花遗传转化中T-DNA序列整合位点以及边界序列的状态尚难以精准的控制。因此，对比研究转基因作物不同世代的外源基因DNA整合、基因表达、蛋白表达、目的性状及农艺性状等遗传稳定

4、性，是转基因作物商业化应用的前提13。本专题论文耐除草剂梅花GGK2的遗传檄定性分析及性状鉴定14对连续3代转基因棉花GGK2的检测结果显示，外源目的基因稳定的整合到棉花基因组中，目的基因、和筛选标记基因的拷贝数、蛋白表达量、草甘脏耐受性以及农艺性状等在不同代际间均无显著差异,并且转基因棉花GGK2能够耐受田间使用中剂量4倍的草甘磨浓度，农艺性状和营养品质与对照组相比无显著差异，达到了生产用耐除草剂棉花对草甘膈除单剂的耐受水平。未来，与生产中广泛应用的国产抗虫棉品种杂交，可获得同时抗棉铃虫和耐除草剂的棉花新品种。总之，转基因楠花GGK2是高耐除草剂且秘定遗传的转基因材料，目前巳经进入转基因安全

5、性评价生产应用证书申报阶段，具有广阔的产业化应用前景。草甘膈除草剂自1974年商业化以来，成为世界上用量增长最快、生产量最大的农药，目前年用量100万t左右，占全世界除草剂市场份题的30%以上7-10,近年来，除了之外，从抗草甘除的微生物中分离签定到数个类基因并应用于耐除草剂作物的培育，如15、16、6、10等。尽管都属于EPSPS类蛋白，但是它们和CP4EPSPS序列相似性相对较低，因此，能够获得专利权，为培育具有自主知识产权的耐除草剂作物提供了基因基础。本专题论文转+耐草甘脚优异棉花种质系的创制及其特性17利用耐辐射奇球菌OEPSPS基因转化中棉所49,获得3个稳定遗传的单拷贝整合的转化体

6、ZDI31、ZD185和ZD207,T-DNA插入位点分别在D7、D13和A12染色体。3个转基因株系均耐受4倍田间草甘瞬推荐剂量且生长发育正常。有意思的是，转基因株系棉铃大小、衣分、结铃性等产量性状和纤维品质均优于对照组，说明其具有较好的应用潜力。本专题另外一篇论文转基因抗草甘瞬棉花R1-3株系的分子特征鉴定18利用农杆菌介导法转化基因，获得稳定遗传的耐草甘腓除草剂棉花R13同样，R13棉花中TDNA为单拷贝插入，整合位点在A11或DI1染色体基因间隔区，未破坏受体棉花的内源基因，也未发现时插入位点附近基因表达的影响。ZD系列和R1-3等耐除草剂棉花的创制，丰富了我国自主知识产权耐除草剂棉花

7、种质资源的储备，与GGK2棉花共同形成了国产耐除草剂棉花产业应用的梯队系列产品，为保障我国耐除草剂棉花稳定健康发展其定了资源基础。尽管草甘膨是全球第一大除草剂品种，但是长期大面枳使用单一类型的除草剂，容易导致杂草抗药性、基因逃逸、药害残留等问题19研发安全高效且环境友好的新型除草剂，培育与之相匹配的抗性作物是未来解决草害问题的发展方向。近年来，功能基因组学、代谢组学、蛋白质组学等多组学的快速发展为解决杂草危害提供了新的切入点。同时，农业生物技术的快速发展，尤其是基因编辑技术在棉花中的广泛应用19-28,为培育新型耐除草剂棉花提供了新策略。本专题论文后基因组时代发展抗除草剂作物的机遇及挑战29从

8、3个层面系统综述了耐除草剂作物的发展，一是除草剂鸵标基因与作用机制研究层面，系统总结了几种不同作用机制的除草剂耙标基因，比如植物氨基酸生物合成、植物脂类代谢、植物类胡萝卜素、质体能和生育酚生物合成途径的研究进展。二是新型耐除草剂基因挖掘与除草剂系统层面，重点介绍了2种挖掘新型抗除草剂基因与除草剂系统的方法，包括基于CR1SPR/Cas系统对作物内源除草剂靶标基因进行定向突变、定向激活法和天然产物与生物体存在共同进化理论的抗性基因导向法。三是酎除草剂作物培育层面，系统总结了3种培育抗除草剂作物方法，包括富规育种培育法、转基因育种培育法和基于CRISPR/Cas基因组编辑技术培育法，并且重点介绍了

9、CIRSPR/Cas系统、碱基编辑技术和Prime-editing系统在培育抗除草剂作物中的研究进展。在后基因组时代，针对杂草防治中抗性杂草发生、环境安全和基因逃逸等挑战，基因组编辑技术的快速发展为杂草防治提供了新策略和机遇。1 WenXP,ChenZW,YangZR1WangMJ,JinSX,WangGD,Zhang11Wang1J,1iJY,SaeedS,HeSP,WangZ,WangK,KongZS,1iFG,ZhangX1,ChenXY,ZhuYX.Acomprehensiveoverviewofcottongenomics,biotechno1ogyandmo1ecu1arbio1o

10、gica1studies.ScienceChina1ifeSciences,2023:1-43.2 YANGZR,QANMBERG1WANG乙YANGZE,1FG.Gossypiumgenomics:Trends,spe,anduti1izationforcottonimprovement.TrendsinP1antScience,2023,25(5):488-500.3 HUANGG,HUANGJQ,CHENXY,ZHUYX.Recentadvancesandfutureperspectivesincottonresearch.Annua1ReviewofP1antBio1ogy,2023,

11、72:437-462.4郭三雄，王远，孙国清，金石桥，周藤，孟志刚，张锐.中国转基因棉花研发应用二十年.中国农业科学，2015,48(17):3372-3387.GUOSD,WANGY,SUNGQ,JINSQ,ZHOUT,MENGZG,ZHANGR.Twentyyearsofresearchandapp1icationoftransgeniccottoninChina.ScientiaAgricu1turaSinica12015,48(17):3372-3387.(inChinese)4 藜晓虎，林萍，史亚辉，韩密，张玉栋，吴娜，王俊刚.扁秆荆三棱种群密度对棉花营养物质吸收和枳累的影响.棉花学

12、报，2023,32(2):143-150.CAIXH.1INP,SHIYH,HANR1ZHANGYD,WUN1WANGJG.Effectsofpopu1ationdensityofontheabsorptionandaccumu1ationofcottonnutrients.CottonScience,2023,32(2):143-150.(inChinese)5 王霞，马燕斌，吴旗，沈志成，林朝阳，李朋波，孙璇，王新胜，李燕娥，李贵全.转棉花株系的获得及分子生物学鉴定.中国农业科学，2014,47(6):1051-1057.WANGX,MAYB,WUX,SHENZC,1INCY,1IPB,S

13、UNX,WANGXS,1IYE,1IGQ.Mo1ecu1arbio1ogyidentificationoftransgeniccotton1inesexpressingexogenousgene.ScientiaAgricu1turaSinica,2014,47(6):1051-1057.(inChinese)7 DUKESO,POW1ESSB.G1yphosate:aonce-in-a-centuryherbicide.PestManagementScience,2008,64(4):319-325.8 BonnyS.Genetica11ymodifiedherbicide-to1erant

14、crops,weeds,andherbicides:Overviewandimpact.Environmenta1Management,2016,57(1):31-48.9 DUKESO,POW1ESSB.G1yphosate-resistantweedsandcrops.PestManagementScience,2008,64(4):317-318.10 1IANGC乙SUNB,MENGZG,MENGZH,WANGY,SUNGQ,ZHUT,1UW,ZHANGW,MA1IKW.1INM,ZHANGR,GUOSD.CoexpressionOfandyie1dsherbicide-resista

15、ntcottonwith1owg1yphosateresidues.P1antBiotechno1ogyJourna1,2017,15(12):1622-1629.11 SHI1OS,TRIPATHIP,ME1AMED-BESSUDOC,TZFADIAO,MUTHTR11EVYAA.T-DNA-genomejunctionsformeariyafterinfectionandareinf1uencedbythechromatinstateofthehostgenome.P1oSGenetics,2017,13(7):1006875.12 DONGOX,RONA1DPC.TargetedDNAi

16、nsertioninp1ants.ProceedingsoftheNationa1AcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2023,118(22):e2004834117.13李圣彦，李香银，李照程，张明俊，张杰，郎志宏.转基因玉米2HVB5的性状鉴定及遗传检定性分析.生物技术通报，2023,39(1):21-30.1ISY,1IX丫，1IPC,ZHANGMJ,ZHANGJ,1ANGZH.Identificationoftargettraitsandgeneticstabi1ityoftransgenicmaize2HVB5.Biotechno1ogyBu11etin,2023,39(1):21-30.(inChinese)14梁成真，臧有义，孟志刚，王远，Muba