棉花功能基因图位克隆的研究进展

图位克隆是鉴定特定表型变异遗传基础的经典有效策略。棉花功能基因图位克隆,对育种工作者创新利用种质资源、培育和定向设计新品种、提高育种效率有重要指导作用。近年来,随着雷蒙德氏棉、亚洲棉、陆地棉和海岛棉等基因组测序的完成和不断完善,基因的物理位置信息已知,省去了筛选基因组文库和构建候选区段物理图谱的过程,棉花功能基因图位克隆研究进入快速发展期。2016年,利用正向遗传学方法首次图位克隆了陆地棉显性无腺体Gl2e(GoPGF),目前已有20个质量性状基因和5个数量性状基因通过图位克隆策略鉴定。本文从基因符号、名称、染色体定位、候选基因等方面系统综述棉花纤维、腺体、蜜腺、叶型、株型、植株颜色、育性等性状相关图位克隆基因;并从图位克隆作图群体和集团分离分析法测序(bulked segregate analysis-sequencing,BSA-seq)应用等方面系统综述图位克隆策略。随着基因组测序技术的升级、测序成本的降低、BSA-seq等新方法的应用,图位克隆发展更加快速准确。利用转基因和基因组编辑技术对基因功能开展全面系统的鉴定评价,将为棉花分子设计育种提供理论基础和基因资源,加快棉花遗传改良进程。

陆地棉重组自交系群体纤维品质性状遗传多样性分析及育种应用

为进一步明确棉花重组自交系(recombinant inbred lines,RIL)分离群体纤维品质的性状表现,并筛选品质性状优异的陆地棉新材料,本研究选用2个产量高但纤维品质差异较大的陆地棉品系,以高产且纤维品质高的SJ48-1为母本,高产但纤维品质较低的Z98-15为父本,构建含有140个F6家系的RIL群体。通过表型变异、性状分布、环境稳定性、简单相关性分析,对亲本及其衍生的RIL子代的纤维品质性状遗传多样性进行系统评估。结果表明,在9个环境中纤维品质性状均近似正态分布,并且表现出少部分超亲分离现象。棉花3个主要纤维品质性状中,纤维长度、纤维比强度、马克隆值均表现出较低的超亲比例;纤维长度较其他性状在不同年份的各个环境表现稳定,马克隆值则易受环境影响。简单相关分析发现,纤维比强度与纤维长度呈极显著正相关,而纤维比强度、纤维长度与马克隆值均呈极显著负相关。进一步筛选出8个高产且纤维长度均大于30.33 mm、纤维比强度均大于30.32 cN/tex、马克隆值均小于4.72的优异RIL家系,在6个以上环境均表现较好。

棉花陆海渐渗系次级分离群体产量和纤维品质QTL定位

【目的】利用海岛棉渐渗系挖掘与产量和纤维品质性状相关的优异基因/数量性状位点(quantitative trait loci,QTL),为培育高产且纤维品质优异的棉花品种提供有用的信息。【方法】利用优异陆海渐渗系材料MBI9626与高产、适应性广的陆地棉品种中棉所36构建了包含152个单株的BC_(6)F_(2)次级分离群体,以筛选的109个简单重复序列(simple sequence repeat,SSR)标记检测亲本和群体的基因型,结合多年多代的表型数据,定位产量和纤维品质性状的QTL。【结果】基因型分析表明,MBI9626中中棉所36背景的比例为94.8%。在BC_(6)F_(2)、BC_(6)F_(23)和BC_(6)F_(24)群体中共检测到28个与产量、纤维品质性状相关的QTL,分布在6条染色体上。其中:产量相关的QTL有16个,解释2.25%~6.14%的表型变异,包括6个多年多环境稳定的QTL;纤维品质相关的QTL有12个,解释2.49%~12.30%的表型变异,包括2个多年多环境稳定的QTL。新检测到19个QTL,包括多环境稳定的5个。在D3染色体上鉴定到1个包含6个QTL的QTL簇,该区间包含233个基因,通过基因本体(gene ontology,GO)聚类和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路富集分析,并结合TM-1的转录组数据,筛选出6个可能与纤维发育相关的基因:GH_D03G1428、GH_D03G1466、GH_D03G1518、GH_D03G1570、GH_D03G1586和GH_D03G1640。【结论】本研究检测到28个与棉花产量、纤维品质相关的QTL,为进一步精细定位、候选基因克隆和分子标记辅助选择奠定基础。

陆地棉高品质分离群体中纤维产量和品质性状遗传多样性分析

为了进一步揭示高产优质棉花品种的纤维产量和品质性状之间的遗传关系,筛选高产优质的陆地棉新品系,以纤维品质优异的中棉所127与高产的中棉所60杂交并自交构建的F2、F2∶3分离群体和重组自交系F6∶8群体为材料,运用简单相关分析、多元逐步回归分析和通径分析对纤维产量与品质性状进行分析评价。简单相关分析结果表明,纤维上半部平均长度在3个群体中均与衣分呈极显著负相关,断裂比强度在2个低世代群体中均与衣分呈极显著负相关,纤维上半部平均长度在3个群体中均和断裂比强度呈极显著正相关,铃重与其他各性状在3个群体中的相关性差异较大。在多元逐步回归分析中,F2和F2∶3群体断裂比强度均与衣分呈负相关关系。通径分析结果表明,在F2群体中,断裂比强度对衣分的直接负效应最大;F2∶3群体中纤维上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值对衣分的直接效应均为负,其中纤维上半部平均长度的直接效应最大。综合简单相关分析、多元逐步回归分析和通径分析的结果认为,主要的品质性状纤维上半部平均长度和断裂比强度与产量性状衣分存在负相关关系。进一步通过对重组自交系F6∶8群体和F2、F2∶3分离群体的表型数据分析,筛选出8个从低世代分离群体到重组自交系群体均表现稳定,衣分较高,纤维上半部平均长度在29.10 mm以上、断裂比强度在29.80 cN·tex-1以上的优质品系,为高产优质棉花新品种的选育及基础研究提供了资源材料。

陆海渐渗系16号染色体纤维长度及强度QTL分子标记辅助选择及聚合效应研究

【目的】明确主效数量性状位点(quantitative trait loci,QTL)在陆海渐渗系群体中的分子标记辅助选择效应以及QTL聚合对纤维长度和纤维强度的影响。【方法】以陆地棉中棉所45与海岛棉海1的优质渐渗系MBI7561(BC_(4)F3∶5)为母本,与其轮回亲本中棉所45构建次级分离群体BC_(5)F_(2)和BC_(5)F_(2∶3),选择单株继续与轮回亲本杂交后自交,获得BC_(6)F_(2)及BC_(6)F_(2)∶3共2个世代群体材料。利用16号染色体上与已知的3个纤维长度主效QTL(qFL-16-1、qFL-16-4、qFL-16-5)和3个纤维强度主效QTL(qFS-16-1、qFS-16-4和q FS-16-5)连锁的4个简单重复序列标记(CGR6894a、PGML02608、NAU5408和NAU3594)进行检测,评价关联QTL对纤维长度和强度的影响。【结果】q FL-16-1、q FL-16-4、q FL-16-5、qFS-16-1、qFS-16-4和q FS-16-5在陆海渐渗系群体2个世代中均具有显著的遗传效应,4个连锁标记的辅助选择效应明显。3个QTL两两聚合均能表现出显著的累加效应;并筛选出同时聚合到2个以上QTL的纤维品质优良单株。【结论】选择的16号染色体纤维长度与强度相关的QTL在陆海渐渗系群体2个世代中均具有显著的遗传效应,聚合效应显著。该研究为纤维长度及强度的分子标记辅助选择聚合育种奠定了重要基础。

陆地棉杂交组合F_(1)、F_(2)苗期优势表现及亲本配合力分析

【目的】筛选优异亲本和强优势杂交组合选育,为棉花F_(2)生产应用提供理论依据。【方法】以8个核背景不同的陆地棉材料为亲本,采用5×3的NCⅡ遗传交配设计,在大田环境条件下,测定亲本、F_(1)、F_(2)和对照品种苗期株高、叶片SPAD值和光合作用参数。【结果】株高、SPAD值和净光合速率的广义遗传力和狭义遗传力较高,部分性状的F_(2)遗传力高于F_(1)。苗期各性状一般配合力好的亲本为P_(1)(中901)、P_(2)(ZB)、P_(6)(大桃)和P_(7)(Z98);杂交组合F_(1)和F_(2)在苗期性状(株高、SPAD值、净光合速率、气孔导度、胞间CO_(2)浓度、蒸腾速率)中特殊配合力表现较好的为组合2(中901×Z98)、组合5(ZB×Z98)、组合7(SJ48×DT)。15个杂交组合的F_(1)和F_(2)在苗期各性状中较对照表现出不同的竞争优势,部分组合具有显著性差异;多数杂交组合的F_(1)和F_(2)在株高、SPAD值、净光合速率和气孔导度表现出正向中亲优势和超亲优势,而大多数组合F_(1)和F_(2)的胞间CO_(2)浓度和蒸腾速率表现出明显的负向中亲优势和超亲优势。【结论】在苗期性状中由父本P 7(Z98)组配的杂交组合在后代表现较好,具有较大的利用潜力。

优质棉中棉所127与高衣分材料杂交分离群体纤维产量和品质表型评价及典型相关分析

以纤维品质优异的陆地棉品种中棉所127为父本,以高衣分品系GH07-44为母本,构建了F_(2)和F_(2:3)分离群体,并对F2和F_(2:3)群体的产量和纤维品质性状进行表型评价及典型相关分析。结果发现,分离群体各性状存在丰富的遗传变异和超亲分离,变异系数为1.15%~15.19%;F_(2)群体中铃重的变异系数最大,2个世代中纤维成熟度指数的变异系数均最小。超高亲比例为1.71%~66.86%,其中F_(2:3)群体马克隆值的超高亲比例最高,2个世代中最小的超高亲比例性状均为上半部平均长度。简单相关分析表明:衣分与马克隆值、成熟度指数呈极显著正相关,与上半部平均长度、长度整齐度指数呈极显著负相关;铃重与马克隆值呈极显著正相关,与F_(2)群体的成熟度指数呈极显著正相关,与F_(2:3)群体的成熟度指数呈显著正相关。典型相关分析表明,产量性状组与纤维品质性状组间存在相关关系,主要表现在衣分与上半部平均长度呈负相关、与马克隆值呈正相关,随着世代的增加,产量和品质性状的相关性降低,因此实现产量和纤维品质同步改良虽有一定难度但有可能实现。本研究筛选出2个世代衣分均超过43%且纤维品质较好的材料9个(马克隆值均值<4.5、上半部平均长度均值>30 mm),为棉花产量和纤维品质的同步改良提供了基础材料。

CMS-D2恢复基因对陆地棉主要性状的影响

选用1对同质异核的哈克尼西棉细胞质雄性不育恢复基因近等基因系——保持系和恢复系为试验材料,分别在黄河流域棉区(河南安阳)和长江流域棉区(江西九江)2个生态点种植,对棉花苗期生长、全生育期主茎功能叶片光合生理指标、花药发育状况、产量及其构成因素以及纤维品质性状进行比较分析。结果表明:(1)恢复基因对棉花苗期生长、花药发育以及全生育期净光合速率无显著影响;(2)恢复基因对黄河流域棉区棉花产量性状具有显著的正效应,对长江流域棉花产量无显著影响;(3)恢复基因可以显著增加棉花纤维长度。本研究对棉花胞质不育恢复系的选育和改良具有一定的指导意义。