基于陆地棉背景的海岛棉染色体片段导入系产量性状QTL定位

棉花产量分为籽棉产量和皮棉产量,其中高皮棉产量总是育种的首要目标。皮棉产量由单株铃数、衣分、单铃重等因素组成。其中衣分在各因素中的遗传率最高,同时也是产量育种中重要的选择指标。育种中利用分离群体对单株铃数、铃重等产量性状选择受环境影响较大。利用染色体片段导入系进行铃数、铃重等产量性状的定位,定向改良产量性状,是棉花分子设计育种的有效方法。本研究利用陆地棉TM-1为轮回亲本和海岛棉海7124为非轮回亲本构建了一套陆地棉背景的染色体片段导入系,并在7个环境的田间试验下,鉴定了它们的产量表现,定位了28个与单株铃数、铃重、衣分和籽指相关的QTL。其中,在Dt亚组染色体上鉴定出的产量性状QTL多于在At亚组染色体上鉴定出的。28个QTL中,加性效应为正的16个,加性效应为负的12个,表明海岛棉不同的导入片段效应不同,有的片段可以提高陆地棉产量,有的则降低陆地棉产量。在6个环境下,导入系IL008(特征标记NAU2573和NAU3576)的衣分均显著高于轮回亲本TM-1,因此IL008可以应用于棉花分子育种,定向改良陆地棉的衣分。     

海岛棉CSSLs分子评价及纤维品质、产量性状QTL定位

本课题组前期以陆地棉中棉所8号(CCRI8)为轮回亲本, 海岛棉Pima 90-53为供体亲本培育了一套陆地棉中棉所8号为背景的海岛棉染色体片段置换系(CSSLs), 本研究利用SSR标记对该置换系群体BC₃F₅进行基因型检测, 在3个不同环境下(河北保定、青县和新疆轮台)鉴定其纤维品质和产量相关性状并进行QTL定位。该置换系群体包含182个家系, 置换片段数在1~15个之间, 平均为6.6个; 导入片段长度在0.7~83.2 cM之间, 平均长度为16.8 cM; 置换片段总长度20 249.6 cM; 背景回复率在92.3%~99.6%之间, 平均为96.2%。共检测出59个相关的QTL, 其中与纤维品质性状相关的41个, 单个QTL的贡献率为1.27%~26.66%; 与产量性状相关的18个, 单个QTL的贡献率为2.03%~19.38%; 检测到14个稳定的QTL, 其中4个马克隆值和2个纤维伸长率相关的稳定QTL增效基因均来自高值亲本海岛棉Pima 90-53, 2个铃重相关的稳定QTL增效基因来自高值亲本陆地棉中棉所8号。研究结果为深入开展纤维品质和产量性状的QTL精细定位、QTL间互作和分子育种提供了理论依据。     

陆地棉遗传图谱构建及产量和纤维品质性状QTL定位

利用3 458对SSR引物筛选陆地棉中棉所35和渝棉1号间的多态性引物, 获得173对。以多态性引物检测(渝棉1号×中棉所35)F₂群体180个单株的标记基因型, 共获得178个标记位点。构建的遗传连锁图谱包括148个标记, 36个连锁群, 总长1 309.2 cM, 标记间平均距离8.8 cM, 覆盖棉花基因组的29.5%。36个连锁群中的28个分别被定位于20条染色体, 8个连锁群未定位于染色体。以渝棉1号×中棉所35的F₂、F_2:3群体的产量、纤维品质性状鉴定结果, 利用区间作图方法, 检测到4个产量性状QTL, 即2个衣分(LP)、1个铃重(BW)、1个籽指(SD); 5个纤维品质性状QTL, 即1个纤维长度(FL)、2个纤维比强度(FS)和2个纤维细度(FF)。LP1、BW、SD、FL和FS1被定位于第7染色体, LP2、FS2、FF1和FF2被分别位于第15、21、9和20染色体。5个纤维品质QTL的有利等位基因均来源于渝棉1号。     

利用海岛棉染色体片段导入系定位衣分和籽指QTL

以染色体片段导入系IL-15-5和IL-15-5-1构建的F2和F2:3分离群体,利用SSR标记对数量性状衣分和籽指QTL进行了定位。应用复合区间作图法分析两个组合的774个F2单株和F2:3家系衣分和籽指,检测到2个衣分的QTL,1个籽指的QTL。衣分QTLqLP-15-1在两世代中都被检测到,位于相同的分子标记置信区间JESPR152～NAU3040,置信的遗传距离分别为5.40cM和3.20cM;qLP-15-2只在F2:3中被检测到,位于分子标记NAU5302～NAU2901之间,置信的遗传距离为0.08cM。籽指QTLqSI-15-1在F2和F2:3中都被检测到,分别位于分子标记NAU2814～NAU3040和JESPR152～NAU3040,置信的遗传距离分别为6.70cM和5.70cM。利用染色体片段导入系能准确地定位产量组分的QTL,为棉花产量的分子设计育种奠定基础。     

利用抗旱选择导入系定位向日葵产量性状QTL

干旱是造成向日葵减产的最主要因素之一。利用综合性状优良的自交系K55作为轮回亲本与抗旱自交系K58杂交构建回交导入系, 在干旱条件下进行单株产量筛选, 得到45个BC₃F₂抗旱定向选择导入系。通过全基因组SSR及SNP标记扫描, 以方差分析和基于遗传搭车原理的卡方检验对呼和浩特市及武川县两点、两种水分条件下的5个产量性状进行QTL检测。方差分析检测到的QTL根据不同环境下的表达情况分为三类, 第一类在两种水分条件下稳定表达, 包括武川的4个百粒重QTL及呼和浩特的2个单株产量QTL、3个单株实粒数QTL, 这些QTL可能对向日葵抗旱性有直接贡献; 第二类受干旱胁迫表达, 包括呼和浩特的30个和武川的27个; 第三类仅在正常供水条件下被检测到, 包括呼和浩特的38个和武川的64个。卡方检验检测到极显著位点274个。用两种方法共检测到一致性位点14个, 可能是与向日葵抗旱性相关的关键位点。本研究结果可为向日葵高效抗旱分子育种奠定基础并提供相关材料。     

利用东乡普通野生稻染色体片段置换系定位产量相关性状QTL

以东乡普通野生稻和日本晴为亲本构建的染色体片段置换系为研究材料, 2019年分别在北京、山东临沂和江西南昌对分蘖数、穗粒数和粒形等11个产量相关性状进行多环境鉴定,结合染色体片段置换系基因型数据定位水稻产量相关性状QTL。3个环境共检测到68个QTL,包括株高4个、穗长5个、分蘖数2个、一次枝梗数7个、一次枝梗粒数8个、二次枝梗数8个、二次枝梗粒数10个、每穗粒数6个、千粒重7个、粒长8个和粒宽3个; LOD值介于2.50～12.66之间,贡献率变幅为4.67%～27.79%,15个QTL的贡献率大于15%;24个QTL与已报道位点/基因位置重叠,44个QTL为新发现位点; 6个QTL在2个环境能被检测到, 1个QTL qTGW2能在3个环境检测到,且是还未报道的新位点。最后,利用BSA法验证了qPH7、qPBPP8-2和qGW10三个QTL的可靠性。本研究将为后续产量相关性状基因克隆以及进一步解析其遗传基础和分子调控机制奠定基础。     

利用选择导入系QTL聚合设计方法改良水稻产量相关性状

培育和种植高产水稻品种是解决粮食短缺危机最有效的方法之一。利用轮回亲本明恢86和供体亲本ZDZ057、辐恢838和特青构建了3个BC2F4高产选择导入系群体,从中选择5个稳定的高产导入系培育了4个聚合群体WD135/WD190、WD190/WD250、WD208/WD258、WD135/WD258。通过对4个F4聚合群体进行大田表型鉴定,考察产量及其相关性状。选取55个SSR多态性标记对聚合群体进行基因型鉴定,并利用性状-标记间的单项方差分析进行产量及相关性状的QTL检测和根据遗传搭车理论对增产的聚合系基因型的分析结果进行卡方检测。方差分析结果表明,穗长和单株产量在所有4个聚合群体中都存在显著或者极显著基因型差异,抽穗期没有差异,其余性状在不同群体中表现不尽一致。在4个聚合群体中,一共有57个聚合系产量高于轮回亲本,增产幅度从0.36%～72.7%,其中有40个聚合系高于其各自的聚合亲本。与轮回亲本和导入系亲本相比,高产聚合系的单株有效穗数、每穗实粒数和每穗颖花数有了一定程度的提高。高产聚合系增产的主要原因是由于单株有效穗数、每穗实粒数和每穗颖花数得到了改良。利用卡方检验和单项方差分析分别检测到22和20个与产量及相关性状有关的QTLs,其中10个QTL与前人定位的结果一致。聚合亲本携带的QTL在聚合群体的效应与导入系群体估算的不完全一致。说明利用选择回交导入系进行复杂性状聚合改良虽然可以部分消除QTL与遗传背景的互作,但是QTL之间的上位性互作可能仍然起着一定的作用。本研究采取的产量聚合系定位方法可靠性较好,为复杂性状的聚合系定位提供了一个新途径。     

利用染色体片段代换系定位水稻叶片形态性状QTL

水稻叶片形态是理想株型的重要组成部分,控制叶片形态基因的挖掘对于塑造水稻理想株型,实现水稻超高产目标具有重要意义。本研究利用广陆矮4号为受体亲本,日本晴为供体亲本构建的一套染色体片段代换系,对水稻上三叶(倒一叶、倒二叶和倒三叶)形态性状与单株籽粒产量进行了相关性分析,并开展了相关QTL定位。结果表明,除剑叶宽外,水稻上三叶的叶长、叶宽都与单株产量呈极显著正相关。同时,通过单因素方差分析和Dunnett’s多重比较,在两年间重复检测到20个控制叶形的QTL,其中叶长QTL 13个(8个表现正向效应,5个表现负向效应);叶宽QTL 7个(4个表现正向效应,3个表现负向效应)。这些QTL的鉴定为水稻叶形性状的分子改良提供了重要遗传信息。     

新疆棉花纤维品质性状的QTL分析

 以自育高品质中长绒棉品种（新陆中9号提高系）9-1696为母本,与主栽品种中棉所35为父本配置单交组合,筛选出12对SSR引物在F₂群体和B1群体进行纤维长度、整齐度、比强度和伸长率4个纤维品质性状的QTL分析,采用区间作图法（LOD>2.0）,在F₂群体中检测到6个与纤维品质性状连锁的QTL位点。其中,检测到纤维长度、纤维整齐度、伸长率各1个QTL位点,比强度检测到3个QTL。在B₁群体中检测到2个QTL,分别与比强度和纤维长度连锁。     

陆地棉高品质品系纤维品质性状QTL的分子标记及定位

为进一步挖掘利用高品质品系NM03102的优异纤维品质性状的基因,利用陆地棉鲁棉研21作为母本、NM03102为父本构建了F2和F2∶3分离群体。通过7892对SSR引物对亲本进行筛选,获得222对多态性引物,进一步对195个F2群体单株分析得到242个标记位点。其中,182个标记位点连锁构建37个连锁群,共覆盖1661.6 cM,每个连锁群平均包含4.9个标记位点,标记间平均相距9.1 cM,其中35个连锁群被定位到了20条染色体上。利用F2和F2∶3纤维品质数据,通过复合区间作图法,共检测到20个纤维品质性状QTL。其中,1个纤维强度的QTL和1个纤维整齐度的QTL与已有的报道一致,1个纤维强度的QTL和1个麦克隆值的QTL在两世代中稳定存在,这为标记辅助选择奠定了基础。     

QTL Mapping for Yield and Fiber Quality Traits in Double-Cross Population of Chromosome Segment Introgression Lines from Gossypium hirsutum×Gossypium barbadense

[Objective] The aim of this study was to map quantitative traits loci (QTLs) for yield and fiber quality traits in chromosome segment introgression lines (CSILs) from Gossypium hirsutum×Gossypium barbadense. [Method] Four CSILs, MBI 7115, MBI 7412, MBI 7153 and MBI 7346, which were obtained by advanced backcrossing and continuous inbreeding from upland cotton variety CCRI 45 and sea-island cotton variety Hai 1, were used to construct double-cross segregating populations F1 and F1:2 through the following crosses: [(MBI 7115×MBI 7412)×(MBI 7153×MBI 7346)]. Simple sequence repeat (SSR) molecular markers were used to evaluate the genotyes of parents. The F1 and F1:2 populations were used to map QTLs for yield and fiber quality-related traits. [Result] The recovery rates of the recurrent parent CCRI 45 in the four CSILs were all above 97%. Forty-one QTLs, which were distributed across 11 chromosomes, were detected using the two segregating populations. There were 30 QTLs controlling fiber quality with phenotypic variations ranging from 1.11% to 11.80% and 11 QTLs controlling yield-related traits with 1.09%–13.57% phenotypic variations. [Conclusion] Five QTLs for fiber quality were consistently detected in two populations and they were all newly discovered QTLs. This study provides an important theoretical basis for fine mapping of these QTLs and molecular marker-assisted breeding for excellent fiber quality.     

Mapping QTL of Fiber Yield and Quality Traits in F2 Populations of Chromosome Segment Substitution Lines from Gossypium hirsutum × Gossypium barbadense

In this study, F₂ populations from two chromosome segment substitution lines MBI7455 and MBI7358, were quantified using SSR to evaluate the parents' genotype and detect QTL related to fiber quality plus yield traits of cotton. Results show that the recurrent parent (CCRI45) hosted 96.70% and 95.60% of chromosome segment substitution in MBI7455 with 12 chromosome segments and in MBI7358 with 16 chromosome substitution segments of Gossypium barbadense, respectively. In the F₂ population, the average rate of chromosome substitution of the recurrent parent (CCRI45) was 96.44%, and the average segments of chromosome substitution of Gossypium barbadense was 13.42, with an average segments of homozygous donor chromosome value of 3.90. Analysis showed 19 fiber quality-related QTL with a phenotypic variance of between 2.52%-13.11% and seven yield traits-related QTL with a range of 2.93%-11.40% phenotypic variance, resulting in a total of 26 QTL. The CSSLs could be used to detect QTL for fiber yield and quality traits, which offer an important foundation for the cotton molecular-assisted breeding.     

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。     

Evaluation of Chromosome Segment Substitution Lines Related to Fiber Yield and Quality Traits from Gossypium hirsutum×Gossypium barbadense

Three generations of chromosome segment substitution lines lines (BC₄F₃, BC₄F_3:4, and BC₄F_3:5, Anyang, Korla) were used to evaluate phenotypic traits related to fiber yield and quality. The average performance of the traits in the population was near to the control, CCRI45, in the four populations. Seventy-eight percent of the lines showed longer and stronger fibers than the recurrent parent, and 22.59%～53.61% of lines had bigger bolls and higher lint percentages than the recurrent parent. Correlation analysis showed that the yield and fiber quality traits were positively correlated among the four populations. These results indicated that most of the genetic background in the substitution lines has been restored to the recurrent parent with abundant genetic variations. In addition, most of substitution lines had good yield and fiber quality. This study provided a large amount of basic research materials for cotton quantity genetics, gene pyramiding, and gene function analysis, and provided parent materials and new strains that can directly applied for cotton breeding.     

棉花BC5F2代换系的产量及品质相关性状表型分析及QTL定位

本研究利用生产上推广的优良早熟陆地棉栽培品种中棉所36为受体亲本,海岛棉海1为供体亲本,选择培育了一套由303个单株组成的BC5F2代换系。从已构建的BC1F1遗传图谱上以5~10cM为标准挑选391对多态性标记进行分子检测,多数单株含有海岛棉代换片段数为2~10个。对该群体的单株产量、品质性状进行了表型鉴定,存在大量具有优良品质的单株,纤维强度最高的能达到37.8cN/tex,铃重、衣分、纤维长度、整齐度、马克隆值、伸长率及纤维强度超轮回亲本分别为17.82%、44.55%、46.86%、33.33%、74.92%、41.58%、42.57%。采用性状-标记间的单向方差分析,共定位了20个与产量性状和33个与纤维品质性状有关的QTL,其中qUN-14-2、qBW-2-20、qFL-2-20和qMV-1-38这4个QTL存在一定的遗传稳定性。鉴定的QTL大多是微效基因,解释表型变异为3.01%~9.69%,该研究为染色体单片段代换系的精细的分子研究奠定了基础。     

Improving Fiber Quality Traits of Xinluzao 45 Using Gossypium barbadense Chromosome Segment Substitution Lines

Gossypium barbadense chromosome segment substitution lines could be used as an important germplasm resource for improving fiber quality traits of upland cotton. In this study, we used TM-1 background substitution lines CSSL-122, the Xinjiang upland cotton Xinluzao 45 and hybrid, backcross progeny BC₂F₁ populations comprising 120 individual plants as test materials. Nineteen SSR markers located in Gossypium barbadense chromosomes land inked with fiber length and strength were used to screen out obvious polymorphic primers between the parents. We then traced and detected chromosome segments of Gossypium barbadense in the BC₂F₁ populations. Simultaneously, we compared fiber quality traits of positive plants that contained Gossypium barbadense chromosome segments with non-positive plants in the BC₂F₁ populations. The results showed that two markers, NAU2987 and BNL3145, which were linked with fiber length, could accurately identify the positive plants. In addition, compared with non-positive plants, the increased fiber length and strength of the positive plants were very significant (P < 0.01). Our research suggested that alien Gossypium barbadense chromosome segments significantly improved the fiber quality traits of Xinluzao 45. Thus, the Gossypium barbadense chromosome segment substitution lines will provide a vital theoretical basis and practical reference for improving Upland Cotton fiber quality traits.