陆地棉株型及生育期相关性状QTL定位

【目的】为了深入分析棉花株型及生育期相关性状的分子遗传机制,加速适机采棉花新品种分子标记辅助育种进程。【方法】通过构建包含413个单株的F2群体,结合高密度SNP(Single nucleotide polymorphism,单核苷酸多态性)遗传图谱,开展株高(Plant height,PH)、第一果枝节位(Node of the first fruiting branch,NFFB)及其高度(Height of NFFB,HNFFB)、第四果枝第一果节长度(First node length of the forth fruiting branch,FNLFFB)、第七果枝第一果节长度(First node length of the seventh fruiting branch,FNLSFB)等5个株型性状和开花期(Flowering time,FT)、花铃期(Flowering to boll-opening period,FBP)、全生育期(Whole growth period,WGP)等3个生育期性状的QTL(Quantitative trait loci,数量性状位点)定位研究。【结果】8个性状均呈现连续的双向超亲分布,性状之间存在广泛的正向相关性,PH与其他株型性状均为极显著正相关,NFFB与3个生育期相关性状均为显著或极显著正相关。共定位到36个加性QTL(Additive QTL,a QTL)位点,包括14个PH相关a QTL、6个NFFB相关a QTL、3个HNFFB相关a QTL、5个FNLFFB相关a QTL、3个FNLSFB相关a QTL、2个FT相关aQTL、2个FBP相关aQTL、1个WGP相关aQTL,单个aQTL贡献率为1.70%～10.38%。这些a QTL分布于20条染色体,每条染色体有1～4个a QTL。发现3个a QTL重叠区段,分别为A11染色体的qNFFB-A11-1与qWGP-A11-1、D3染色体的qHNFFB-D3-1与qPH-D3-1、D8染色体的q NFFB-D8-1与qFNLSFB-D8-1。检测到263个上位性QTL(Epistatic QTL,e QTL),单个e QTL的贡献率为1.17%～6.19%;19个a QTL与21个e QTL位置重叠;At基因组分布有17个a QTL和202个e QTL,Dt基因组分布有19个a QTL和61个e QTL。【结论】本研究为探索棉花株型的分子遗传机制奠定了研究基础,为机采棉分子标记辅助育种提供理论指导。     

陆地棉种子物理性状QTL定位

定位棉花种子性状的基因对揭示棉花种子性状的遗传规律,以及明确棉花种子、产量、纤维品质等性状间的遗传关系具有重要意义。以(渝棉1号×T586) F_2:7重组近交系群体构建的遗传连锁图谱,在鉴定270个家系3个环境种子物理性状的基础上,利用MQM作图方法,共检测到34个种子物理性状QTL,包括9个种子重(qSW)、5个短绒重(qFW)、3个短绒率(qFP)、8个种仁重(qKW)、6个种子壳重(qHW)和3个种仁率(qKP)QTL,它们可解释4.6%~80.1%的性状表型变异。9个QTL在2个或3个环境中被检测到,其中包括第12染色体显性光子位点的短绒重与短绒率QTL,以及另外7个微效应QTL。34个QTL分布于15条染色体,其中A染色体组20个,D染色体组14个。有12个染色体区段分布有2个或2个以上的QTL,而且同一染色体区域同一亲本所具有的不同性状QTL的方向大多数与性状表型相关系数的正负一致。     

陆地棉产量相关性状的QTL定位

中棉所28和湘杂棉2号分别是以中棉所12×4133和中棉所12×8891配制而成的两个陆地棉强优势杂交种。以其F₂为作图群体,筛选6000多对SSR引物,利用两群体间27个共有多态位点,通过JoinMap 3.0软件整合了一张包含245个多态位点、全长1847.81 cM的遗传图谱。利用Win QTLCart 2.5复合区间作图法分别对两群体8个产量相关性状在F₂和F_2:3中进行QTL定位,在中棉所28群体多环境平均值的联合分析中检测到16个QTL,三环境分离分析中检测到43个QTL;在湘杂棉2号群体分别检测到20个和66个QTL。在A3、D8、D9等染色体上有QTL成簇分布现象,同时在两个群体中发现一些不受环境影响且稳定遗传的QTL。对考察的8个性状在两个群体中发现12对共有QTL,控制果枝数、衣分和籽指的QTL增效基因位点均来源于共同亲本中棉所12。综合分析推测中棉所12的育种价值主要是通过提高后代的结铃性来实现的。研究结果为棉花产量性状的分子设计育种提供了有用的信息。     

陆地棉重组自交系产量及产量构成因子性状的上位性QTL分析

棉花的产量及产量构成因子性状是以复杂的方式遗传,遗传力较低并易受环境条件影响。经典数量遗传学指出,上位性是复杂性状的遗传基础。本研究以湘杂棉2号F8和F9世代重组自交系为材料,调查了3个环境下的产量及产量构成因子性状,并构建了遗传连锁图。旨在定位产量及产量构成因子性状的上位性QTL并分析QTL与环境的互作效应。所有产量及产量构成因子性状均检测到上位性QTL,共检测到16对加性互作QTL（AA）,涉及的位点中仅4个有单位点效应,这反映了上位性的复杂性及其对产量和产量构成因子性状的重要贡献。共检测到17对QTL加性和环境互作（AE）,以及14对上位性QTL与环境的互作,表明环境因素对产量和产量构成因子性状起重要影响作用。研究结果还表明上位性效应作为湘杂棉2号的遗传基础起着重要作用。对各性状在不同环境的优良基因型进行了预测。综合优良家系（GSL）和特定环境下的优良家系（SL）的性状表现高于两亲本,表明湘杂棉2号重组自交系各性状都有提高的潜力。由于QTL加性和环境互作以及上位性QTL与环境互作的影响,预测的优良家系基因型会随着环境的改变而不同,表明应针对特定环境开展棉花育种。     

水稻株型相关性状的QTL分析

以南方籼型杂交稻恢复系泸恢99和北方粳型超级稻沈农265杂交衍生的重组自交系群体(recombinant inbred lines, RILs)为试验材料, 对株型性状(株高、穗长、分蘖和叶片性状)进行不同环境下的数量性状基因位点(quantitative trait locus, QTL)分析。共检测到39个相关QTL, 分布在水稻第1、第2、第3、第6、第7、第8和第9染色体上, LOD值介于2.50~16.90之间, 有11个QTL能在两年中被检测到。株型相关的QTL在染色体上成簇分布, 主要分布于第1、第6和第9染色体上, 这可能与株型性状间显著或极显著相关有关。其中, 在第9染色体上RM3700B–RM7424区间存在1个QTL簇, 含4个QTL, 即qPH9、qPL9、qFLL9和qSLL9, 这4个QTL在两年中均被检测到。此外, 进一步鉴定出5个能稳定表达的QTL, 其中, qPH8、qFLW6和qSLW6效应较大。这些信息综合反映了株型相关性状遗传的复杂性, 有助于我们更全面地了解和掌握株型性状的遗传基础。     

利用重组自交系群体定位玉米种子活力相关生理性状的QTL

种子是农作物生产的物质基础,种子质量直接影响农业生产的成效.种子活力是衡量种子质量和应用价值最重要的指标之一,活力高的种子发芽迅速整齐、幼苗均匀、生长健壮,同时可以节约播种量,减少劳力投入,降低生产成本,提高农业生产效益.QTL定位和克隆是解析玉米农艺性状遗传基础的重要手段.本研究以基于豫537 A×沈137构建的一个RILs群体的212个家系为材料,利用SNP分子标记技术构建的高密度的分子遗传连锁图谱,采用复合区间作图法定位了超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量等玉米种子活力相关生理指标的QTL,共检测到11个QTLs,分别分布在第1、2、4、6、7、8条等6条染色体上,单个QTL的贡献率介于5.52％～12.10％之间,这些QTL的确定有助于开展分子标记辅助选择种子活力相关性状.     

陆地棉重要农艺性状基因的QTL定位研究

本研究利用陆地棉品种新陆中10号与陆地棉品种新陆早7号构建F2作图群体;利用MAPMAKER/EXP（Version3.0b）构建连锁群总长度962.2cm,覆盖率为17.49%,标记数为89个位点。利用复合区间作图法原理对作图群体的果枝始节、单铃重、衣分、籽指、株高、叶主脉、叶次脉等7个农艺性状进行了QTLs筛选,共检测9个稳定的QTLs：其中与株高有关的1个,解释23.1%的表型变异;与籽指有关的QTL共1个,解释18.8%的表型变异;与衣分有关的QTL共2个,分别解释6.5%、7.4%的表型变异;与铃重有关的QTL共2个,分别解释11.6%、14.2%的表型变异;与叶主脉及叶次脉共检测到3个QTLs,解释10.7%～21.9%的表型变异。     

陆地棉光合相关性状的QTL定位分析

光合作用是棉花产量的主要物质来源。本研究以高光效陆地棉冀优861和低光效陆地棉新陆早25号为亲本组配的196个F₂单株为作图群体,利用SSR（Simple Sequence Repeat）标记构建陆陆杂交遗传连锁图谱,共有30个标记位点连锁,包含4个连锁群,全长244.4cM。利用QTL IciMapping 4.1软件的完备区间作图法对冀优861×新陆早25号F_2:3家系的光合相关性状进行QTL作图分析,共定位到光合相关5个性状的10个QTLs,其中1个光合速率QTL和1个胞间CO₂浓度QTL分别定位在D3和D7染色体上。本研究为棉花光合相关性状QTL的精细定位及分离克隆打下基础,为聚合棉花高光效分子标记辅助育种提供理论依据。     

不同生态环境下陆地棉生育期及产量性状的遗传研究

以陆地棉早熟品种百棉2号和遗传标准系TM-1形成的P1、P2、F1、B1、B2和F2 6个世代群体为材料,分别在我国的黄河流域棉区(环境Ⅰ)和北疆早熟棉区(环境Ⅱ)2个生态环境下,研究了陆地棉生育期及产量性状的主基因+多基因遗传规律.结果表明,除衣分在环境Ⅱ中未检测到主基因外,其他性状在2个环境中均检测到主基因的存在....     

利用陆地棉MAGIC群体定位产量、生育期和株高性状的QTL

棉花的产量、生育期和株高是重要的农艺性状, 决定着棉花的经济效益和生产方式。为了研究这些性状的遗传基础, 利用8个亲本构建的包含960个株系的陆地棉MAGIC (multi-parent advanced generation inter-cross)群体和SSR标记对这些性状进行关联分析。对产量、生育期和株高共8个相关性状进行了3年3个地点共5个环境的田间试验。经过最佳线性无偏预测(BLUP)综合多环境的表型数据, 发现MAGIC群体比亲本有更丰富的表型变异。8个性状的广义遗传力(H ²)变化范围为0.17~0.71。结合284个SSR标记基因型数据, 利用混合线性模型对产量、生育期和株高相关性状进行关联分析, 分别检测到51、27和9个显著关联的位点, 这些位点都表现出微效性, 表明该陆地棉MAGIC群体在性状位点的挖掘方面具有高效性。检测到20个标记位点或区间控制多个性状, 还发现单株有效铃数、单铃皮棉重、第一果枝节位和株高存在染色体热点区域, 对多性状综合研究或单性状深入挖掘具有重要价值。本研究为后续深入利用MAGIC群体进行遗传研究提供参考, 一些表型优良的材料和关联到的位点为育种改良奠定了基础。     

Induction of Embryogenic Callus in Gossypium barbadense L. and Gossypium hirsutum L. by Hormone Treatments

The aim of this study was to induce embryogenic callus from various cultivars of cotton in tissue culture, so that a stable and efficient regeneration system could be developed to produce new cotton varieties for cultivation in Xinjiang. The explant materials were hypocotyls of the main cotton cultivars grown in Xinjiang, i. e. Xinhai 25, Xinhai 16, Xinluzao 39, and Xinluzao 42. We tested the effects of different combinations of two hormones (kinetin, KT; 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D) on induction of callus from these explants. Calli were produced by the explants under four different combinations of hormones in the media. The optimal hormone combination to induce callus from Gossypium hirsutum explants was 0.1 mg·L^-1 KT + 0.05 mg·L^-1 2,4-D, while that to induce callus from Gossypium barbadense explants was 0.1 mg·L^-1 KT + 0.1 mg·L^-1 2,4-D. Hormone-free medium and medium containing double to the normal concentration of KNO₃ promoted the emergence of embryogenic callus. Filter paper placed under the medium promoted somatic embryo growth and regeneration of the root system. The differentiation and embryogenesis processes occurred more rapidly in G. hirsutum explants than those in G. barbadense explants. Using this protocol, normal plantlets of these cotton cultivars with strong roots were produced within 10 to 12 months. These methods could be used to increase the number of cotton genotypes that can be regenerated in tissue culture.     

陆地棉GhERF8基因的克隆与表达分析

 乙烯响应元件结合因子（Ethylene-responsive element-binding factor,ERF）是植物中最大的转录因子家族之一。本研究以棉花叶片cDNA文库为基础,从陆地棉中棉所10号中克隆得到一个新的ERF基因,命名为GhERF8（GenBank：JN656957）。该基因编码265个氨基酸,蛋白序列中包含一个AP2保守结构域。采用荧光定量PCR（RT-PCR）的方法,对GhERF8基因在棉株不同生育时期叶片和不同组织中的表达水平进行了定量分析。结果表明,GhERF8基因在各组织中均有表达,但在成熟后期的叶片中表达量最高。GhERF8表达量与叶片衰老过程中叶绿素含量出现相反的变化趋势,推测GhERF8可能与叶片衰老有一定关系。在乙烯利和茉莉酸处理下GhERF8基因在叶片中上调表达,而在脱落酸处理下GhERF8表达量无显著变化,推测GhERF8可能处于乙烯和茉莉酸信号转导网络中,且表达途径为非ABA依赖途径。     

陆地棉NF-YB基因家族的全基因组分析

为了进一步了解NF-YB基因家族结构的功能,利用生物信息学手段,系统研究了陆地棉标准系TM-1基因组中NF-YB基因家族的数目、亚细胞定位、染色体分布、进化关系、基序以及组织表达情况。结果表明:TM-1基因组中共有41个NF-YB基因家族成员,它们含有相同的CBFD_NFYB_HMF结构域,大部分定位到细胞核内;41个NF-YB基因家族成员分布在19条染色体上,其中有19组成员在A亚组和D亚组中表现为直系同源基因;进化树分为Ⅰ和Ⅱ2个小组,每个小组成员间具有相似的基序类型和排列顺序;组织表达分析则发现,在这41个NF-YB基因家族成员中,至少有24个成员可以进行表达,且表现出一定的组织特异性。     

陆地棉脱外壁花粉粒的制备和花粉粒核DNA检测

 以陆地棉品种苏棉22号的花粉为材料,研究棉花花粉粒脱外壁和检测花粉粒内部核DNA状态的方法。花粉粒经4%多聚甲醛固定后,通过10%次氯酸钠水溶液氧化、55℃热激30 min、压片等系列程序可将花粉粒的外壁完全脱去,分离出完整的脱外壁花粉粒。用DNA荧光染料DAPI分别对陆地棉花粉粒和脱外壁花粉粒进行染色,在荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜下观察花粉粒的内部核结构。没有脱外壁的花粉粒的内部核结构难以被观察到,而脱外壁花粉粒的核DNA结构清晰可见,内壁几乎无荧光。首次发现陆地棉的成熟花粉粒为三核花粉粒。     

陆海BC4F3和BC4F4代主要农艺性状的相关和通径分析

为了更有效地对棉花农艺性状进行选择,缩短选择育种的年限,通过采用相关、偏相关、通径以及回归分析的方法,研究了陆海高代回交自交后代BC4F3和BC4F4群体的6个农艺性状间的关系。结果表明：铃重、衣分、铃数、果枝数、株高与单株皮棉产量呈极显著正相关,其中铃数是决定单株皮棉产量最主要的因素,在BC4F3和BC4F4代对单株皮棉产量的直接通径系数分别为0.6650、0.6689,其次是铃重和衣分,两者的贡献大小相当;果枝数和株高可以通过铃数对单株皮棉产量起较大的正向促进作用;最优回归方程显示,铃重、衣分、铃数和株高对单株皮棉产量有显著的正向影响。本研究明确了棉花产量育种的主攻方向,为提高棉花选择育种效率和实现高产提供理论指导。     

棉花转录因子GhWRKY4基因的克隆及特征分析

 本研究从陆地棉中克隆得到GhWRKY4基因,全长cDNA是1281 bp,包含1083 bp的开放阅读框,编码的360个氨基酸属于IIcWRKY转录因子家族。分析GhWRKY4基因结构表明其有三个外显子和两个内含子。GhWRKY4蛋白的亚细胞定位实验表明其定位在洋葱表皮细胞核。实时荧光定量分析结果显示GhWRKY4在棉花的根、茎、叶和花中均有表达。染色体步移得到了GhWRKY4的5’端侧翼序列,生物信息学软件预测表明GhWRKY4包含一系列和胁迫基因调控相关的反式作用元件,表明GhWRKY4参与植物对盐害和冷害胁迫的反应。     

葡萄糖氧化酶基因在棉花中的高效转化——转基因再生棉株的获得

利用农杆菌介导法把葡萄糖氧化酶基因转移到棉花中 ,获得了再生植株 ,并对影响棉花愈伤组织分化和植株再生的因素作了探讨。离体分子检测表明 ,外源基因已整合到棉花基因组中     

肾形线虫的筛选方法及其在陆地棉和海岛棉鉴定中的应用

两个陆地棉品种 SJ-125 和岱字棉 5415以及海岛棉 T-1348 用来筛选和建立温室条件下鉴定肾形线虫(Rotylenchulus reniformis)的有效方法,并对 12 个陆地棉品种(系)进行了鉴定.鉴定材料的株高、地上干重和根干重差异显著,真叶数和第一果枝节位差异不显著,接种7周后根干重与肾形线虫繁殖系数间呈负相关.繁殖系数随接种量增加而下降.适当的鉴定指标是每毫升土壤接种量7.4个,温室中接种7周后鉴定.利用本研究中改进的方法鉴定出2个耐肾形线虫品系.     

转基因抗虫棉产量相关性状QTL的分子标记及定位

 采用亚洲棉渐渗的纤维强度突出的陆地棉优质新品系0-153与陆地棉转基因抗虫新品系sGK9708为亲本,构建了F₂及F_2∶3分离群体。利用3869对SSR引物筛选亲本,得到125对多态性引物。进一步对183个F₂群体单株分析得到150个多态性标记位点,其中100个标记位点连锁,构建20个连锁群,共覆盖660 cM,占棉花总基因组的14.67%,每个连锁群平均包含5个标记位点,标记间平均相距6.6 cM,其中13个连锁群确定了对应的染色体。利用F₂和F_2:3数据,通过复合区间作图,共检测到28个产量及相关因素的QTLs。这些控制产量性状的QTLs只存在于5个连锁群上,成簇分布。与皮棉产量性状有关的2个QTLs,均与其它多个产量相关性状的QTLs在同一个连锁区段内,增效基因遗传效应方向一致,有必要研究其在标记辅助选择中的效果。本研究没有检测到在多世代表现稳定的QTL。因此,需要培育重组自交系,进一步明确产量性状有关QTL的遗传效应。     

Identification of quantitative trait loci with main and epistatic effects for plant architecture traits in Upland cotton (Gossypium hirsutum L.)

Plant architecture is important for cotton cultivation and breeding. In this study, two mapping generations/populations F₂ and F_2:3 in Upland cotton (Gossypium hirsutum L.), derived from ‘Baimian1’ and TM‐1, were used to identify quantitative trait loci (QTLs) for 10 plant architecture traits. A total of 55 main‐effect QTLs (M‐QTLs) were detected. Four common M‐QTLs, qTFB‐10(F₂/F_2:3) for total fruit branches, qFBL‐26b(F₂)/qFBL‐26(F_2:3) for fruit branch length, qFBA‐5(F₂/F_2:3) for fruit branch angle and qFBN‐26b(F₂)/qFBN‐26(F_2:3) for fruit branch nodes, were found. The synergistic alleles and the negative alleles can be utilized in cotton plant architecture breeding programmes according to specific breeding objectives. Altogether 54 pairs of epistatic QTLs (E‐QTLs) exhibiting the interactions of additive‐by‐additive (AA), additive‐by‐dominant (AD), dominant‐by‐additive (DA) and dominant‐by‐dominant (DD) were detected. The epistasis appeared to be an important contributor to genetic variation in cotton plant architecture traits. Therefore, the identified markers associated with E‐QTLs as well as M‐QTLs will be of importance in future breeding programmes to develop cotton cultivars exhibiting desirable plant architecture.