摘要
矮小型棉花具有抗倒伏、适合密植等特点，利于塑造棉花的理想株型，优化群体结构，提高光合生产率，增加单位面积产量。本课题组在远缘杂交品系N31中发现了一个株型矮小突变体，经过连续多代自交，获得了稳定遗传的纯合体并命名为df31。表型鉴定结果表明：突变体df31株高矮、果枝夹角小、节间距短、生育期长，与N31呈极显著差异。遗传学分析表明： df31与N31杂交，F2分离群体中突变表型与正常表型符合1∶3分离，矮小突变由隐性单基因控制。细胞学观察结果表明：与N31相比，df31叶柄、下胚轴和茎的单位面积薄壁细胞数量增加，维管束较多，形成层欠发达。随着营养生长，df31中赤霉素、油菜素类固醇呈明显下降趋势，生长素含量稳定，生长速度缓慢。本研究分析了矮小突变体的综合表型和遗传基础，并从细胞和生理水平分析了矮小突变体的变化，为进一步突变基因定位、克隆奠定基础。
棉花是我国重要的经济作物之一，株型对棉花的栽培适应性和产量等有着巨大影响。矮小株型具有较强的抗倒伏能力和群体光能利用率，适合高度密植，能有效提高单产水平、防止倒伏，并省去人工整枝、打杈等工作的耗费，有利于机械化采收。合理利用棉花自身的矮秆性状，从遗传的角度控制棉花株高，选育出株高适当、株型理想的品种，是棉花育种的一项重要目
与水稻、小麦、玉米等谷类作物相比，棉花矮化育种进展相对缓慢，目前发现的棉花矮小资源有限，自Harland在海岛棉中发现受一对完全隐性基因控制的海岛棉矮皱突变体以后，相继有陆地棉矮皱突变体，矮红株突变体矮皱与红叶，种间杂交后代中出现的矮秆突变体矮早棉1号、超矮1号、陆矮1号、AS98、Aril327等被发现。随着育种技术的改进，研究人员通过分子育种的方法，发掘并研究与株型性状相关的调控基因。Jia
国内外学者对棉花株型的遗传规律、QTL定位及克
在远缘杂交品系N31（陆地棉90-53系×海岛棉K2选系）中发现了1个株型紧凑矮小的突变体，经过连续多代自交，获得了突变性状和主要农艺性状稳定遗传的纯合体，并命名为df31。2019-2021年在石家庄市小安舍试验站种植df31和N31，4行区，3重复，行长7.0 m，行距0.7 m，株距0.3 m，统一进行田间管理，进行表型性状调查。同时，以df31与N31为亲本分别进行正反交，得到F1并自交获得相应的F2群体，用于突变性状的遗传分析。
参照《农作物种质资源鉴定评价技术规范 棉花（NY/T2323-2013）
选取df31和N31健康饱满种子各10粒，去除种壳，将种胚固定于FAA固定液（体积比为：50%乙醇∶冰醋酸∶甲醛=90∶5∶5）；选取正常植株各5株，截取叶柄、下胚轴、茎分别固定于FAA中；经乙醇脱水、二甲苯透明、浸蜡、包埋、切片、染色、封片后，置于Leica显微镜下观察拍照。花铃期，取充分展开倒3叶，用α-氰基丙烯酸乙酯作为粘合剂，涂抹于叶片表皮，按压在载玻片上，刮除掉叶肉组织，在 Zeiss 显微镜下观察。
分别于三叶期、初花期，选取df31和N31长势一致的植株各10株进行标记，取倒3叶，去除主叶脉，剪碎混合后，称取0.5 g，设3重复，液氮速冻，-70℃保存。采用酶联免疫吸附法（ELISA）测定激素含量，包括赤霉素（GA3）、生长素（IAA）、脱落酸（ABA）、油菜素类固醇（BR），试剂盒由中国农业大学提供，试剂配制、测定步骤、激素含量计算参照说明书方法进
三叶期至初花期内源激素对节间生长影响的计算公式：
主茎节间增长率（%）=（初花期节间增加量-三叶期节间增加量）/三叶期节间增加量×100%
外源喷施激素后株高及主茎节间距增长率的计算公式：
株高增长率（%）=（激素处理株高增加量-对照株高增加量）/对照株高增加量×100%
主茎节间距增长率（%）=（激素处理茎节间增加量-对照茎节间增加量）/对照茎节间增加量×100%
与N31相比，df31株型矮小紧凑，株高降低22.9%、果枝夹角减小30.3%、果枝长度减少35.1%、果枝的节间距缩短21.7%（
| 农艺性状 Agronomic traits | df31 | N31 | ||
|---|---|---|---|---|
平均值±标准差 Mean±SD | 分级 Grade scale | 平均值±标准差Mean±SD | 分级 Grade scale | |
| 株高（cm）Plant height | 78.7±2.65** | 中 | 102.1±2.43 | 高 |
| 果枝夹角（⁰）Angle of boll-bearing branch | 44.8±2.80** | 小 | 62.8±3.10 | 大 |
| 果枝长度（cm）Fruit branch length | 25.3±1.01** | / | 39.0±1.72 | / |
| 节间距（cm）Internode spacing | 7.6±0.46** | / | 9.7±0.98 | / |
| 果枝节位Boll-bearing branch location | 8.4±0.44** | 高 | 6.3±0.36 | 中 |
| 第一果枝高度（cm）Height of first fruit branch | 30.1±0.80 | 高 | 27.7±0.38 | 中 |
| 子叶夹角（⁰）Angle of cotyledons | 14.3±0.92** | / | 56.9±1.03 | / |
|
叶面积（c | 85.8±6.32** | / | 140.5±4.21 | / |
| 铃数 Number of bells | 14.8±1.72* | / | 20.0±2.19 | / |
| 铃重（g） Boll weight | 4.1±0.30* | 轻 | 5.7±0.20 | 重 |
| 生育期（d）Growth stage | 138.0±0.82** | 晚熟 | 125.0±0.71 | 中早熟 |
| 衣分（%）Gin turnout | 34.5±0.60* | 很低 | 37.1±0.67 | 低 |
| 上半部平均长度（mm）HVI length | 27.7±0.78* | 中短绒 | 30.0±1.16 | 中绒 |
| 断裂比强度（cN/tex）HVI strength | 30.4±0.72* | 强 | 27.4±0.98 | 中等 |
| 马克隆值 Micronaire value | 5.8±0.09 | C2 | 5.8±0.06 | C2 |
*、**分别表示在P＜0.05、P＜0.01水平显著差异，下同；/ 表示该性状在规范NY/T2323-2013中不存在分级
* and * * respectively represent significant differences at the P<0.05 and P<0.01 levels，the same as below；/ represent no grading in NY/T2323-2013
图1 df31与N31的表型比较
Fig.1 Morphology comparison of the mutant plant df31 and the normal plant N31
A：叶片；B：果枝；C：花；D：棉铃；E：吐絮；F：株型。左侧为df31，右侧为N31
A：Leaf ；B：Boll-bearing branch； C：Flower；D：Boll；E：Opening of a boll；F：Morphological characters.The left is df31，the right is N31
为了明确突变体株型的遗传机制，将df31与N31进行正反交。结果表明，F1植株均表现为正常表型，株型松散高大，说明该突变性状为细胞核遗传且由隐性基因控制。正交F1自交获得F2分离群体，共657株，突变表型149株，正常表型508株，经过卡方检验（
株数 Number of plants | 突变表型 Mutant phenotype | 正常表型 Normal phenotype | 总计 Total | P |
|---|---|---|---|---|
| 实际数 Actual number | 149 | 508 | 657 | |
| 理论数 Theoretical number | 164 | 493 | 657 | |
|
| 0.94 | 0.36 |
突变体df31株型具有矮小紧凑的特点，为进一步探究其原因，对叶柄、下胚轴、茎（倒三节间）等部位的细胞结构进行观察。通过横向切片对比，df31叶柄、下胚轴和茎的薄壁细胞数量多、体积小，维管组织排列紧密（图
图2 df31和N31叶柄横切面对比
Fig.2 Comparison of petiole of df31 and N31
A~B：df31子叶叶柄；B：A1放大图；C：df31真叶叶柄；D~E：N31子叶叶柄；E：D1放大图；F：N31真叶叶柄；a：薄壁细胞
A-B：In cross section of df31；B：Enlarged of A1；C：In cross section of df31；D-E：In cross section of N31；E：Enlarged of D1；F：In cross section of N31；a：Parenchyma cells
图3 df31和N31下胚轴横切面对比
Fig.3 Comparison of hypocotyl of df31 and N31
A~B：df31下胚轴；B：A1放大图；C~D：N31下胚轴；D：C1放大图；a：木质部；b：形成层；c：韧皮部
A-B：In cross section of df31；B：Enlarged of A1；C-D：In cross section of N31；D：Enlarged of C1； a：Xylem；b：Cambium；c：Phloem
图4 df31和N31茎对比
Fig.4 Comparison of main stem internodes of df31 and N31
A：df31横切；B：df31纵切；C：N31横切；D：N31纵切；a：木质部导管；b：维管形成层；c：韧皮部；d：射线；e：薄壁组织
A：The cross section of df31；B：The longitudinal section of df31；C：The cross section of N31；D：The longitudinal section of N31；a：Xylem vessel；b：Vascular cambium；c：Phloem；d：Ray parenchyma；e：Parenchyma fibers
| 性状 Traits | df31 | N31 |
|---|---|---|
| 真叶柄直径（mm）Diameter of petiole | 1.4±0.38* | 2.3±0.24 |
| 下胚轴直径（mm）Hypocotyledonary axis | 2.4±0.53* | 4.0±0.69 |
| 主茎细胞长度（μm）Cell length of main stem | 25.0±1.25** | 38.5±2.02 |
| 茎维管形成层细胞层数Cell layers of vascular cambium in stem | 3~4 | 5~7 |
表中数据为平均值±标准差，下同
The data in the table are the mean ± standard deviation，the same as below
表皮上的气孔由两个保卫细胞以凹入面相对，在相向面的中部细胞壁彼此分离形成开口，是植物与外界进行气体交换的通道。观察发现：与N31相比，df31气孔小（
图5 df31（A）和N31（B）叶片上表皮对比
Fig.5 Microscopic observation on leaf upper epidermis of df31（A）and N31（B）
a：气孔；b：保卫细胞；c：表皮细胞
a：Stomata；b：Guard cell；c： Epidermic cell
植物矮化突变与植物赤霉素（GA3）和油菜类固醇（BR）有关，少数植物矮化突变与生长素（IAA）有关。经测定：在三叶期，df31中GA3、BR含量均高于N31，且差异极显著；随着营养生长，df31中GA3、BR呈明显下降趋势，IAA含量稳定（
生育时期 Growth stage | 材料名称 Test materials | 赤霉素（ng/g） GA3 | 油菜类固醇（ng/g） BR | 生长素（ng/g） IAA | 脱落酸（ng/g） ABA |
|---|---|---|---|---|---|
| 三叶期 | df31 |
9.50±0.0 |
9.07±0.1 |
31.26±4.6 | 67.50±14.86 |
| Trefoil stage | N31 | 6.91±0.01 | 6.49±0.25 | 40.96±5.73 | 68.55±22.62 |
| 初花期 | df31 |
2.58±0.0 | 5.52±0.18 | 30.27±3.40 | 65.49±10.72 |
| Early flowering stage | N31 | 3.89±0.12 | 6.17±0.16 | 27.17±3.66 | 64.79±26.04 |
图6 内源激素对主茎节间的影响
Fig.6 Effect of endogenous hormones on stems elongation
喷施外源激素，进一步探究激素对突变体株型相关性状的影响。GA3和BR对df31株高及主茎的生长具有促进作用，在喷施14 d时，株高的增长率分别达到97.1%和85.3%（
图7 外源激素对df31株高的影响
Fig.7 Effect of exogenous hormones on plant height of df31
图8 外源激素对df31主茎节间的影响
Fig.8 Effect of exogenous hormones on stems elongation of df31
棉花具有无限生长习性，植株高大，为了构建合理群体结构，提高光合生产率，增加单位面积产量；目前生产上主要通过大量施用缩节安等生长调节剂的方式塑造株
本研究在杂交选育过程中获得一个新的矮小株型突变体资源，株高在85 cm左右，果枝始节高度大于20 cm，果枝短且夹角小，符合目前采棉机对棉花株型的要求。遗传分析表明该突变性状由隐性单基因控制，因此易于应用在株型的遗传改良上。
细胞学观察发现，与N31相比，df31维管束数量增多，后生木质部中木纤维的数量随维管束的成熟而增加。棉花是外韧维管束，木质部位于维管束内方，具有机械支持的作用，茎中的维管束经过节部分枝进入叶内或腋芽内，维管系统向外弯曲到叶及分枝处的薄壁组织区
植物激素在作物生长发育及与环境的互作中起着重要作用，许多受激素调控的发育和生理过程都与重要农艺性状有关。植株体内各激素相互作用，影响着细胞的分裂、伸长，气孔分化和频度，进而影响着器官的发
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