新型陆地棉细胞质雄性不育系花器形态学和细胞学观察

 采用石蜡切片法,对一种来源于陆地棉的新型细胞质雄性不育材料的3份转育材料（G22A,H109A和1793A）的花药发育过程进行了花器形态及细胞学观察。花器形态和细胞学观察结果表明,G22A,H109A和1793A三个不育系均花瓣小,花丝短,柱头明显外露,败育彻底,无花粉。败育时期主要发生在造孢细胞增殖时期至小孢子母细胞减数分裂前,表明这3份不育材料不育性状不受细胞核基因的影响。对不育材料与其保持系细胞学观察发现,不育材料与正常花药发育细胞学形态上主要差别是绒毡层发育。不育系绒毡层的着色不明显,大小与中层细胞相似且在整个花药发育过程中不降解,而保持系绒毡层的着色深,在小孢子发育过程中逐渐降解。因此,根据细胞学研究结果可以说明花药中绒毡层发育异常是该来源于陆地棉的新型细胞质雄性不育材料败育的细胞学基础。     

棉花MAPKs家族成员的聚类分析

MAP激酶(促分裂原活化蛋白激酶)级联信号通路(MAPKs)由3种级联磷酸化的蛋白激酶MAPKKK、MAPKK和MAPK组成,在调控植物的生长发育、胁迫响应及抗病反应等过程中都起重要作用。为了全面了解棉花MAPK、MAPKK、MAPKKK家族各成员间的关系,进而研究和揭示MAPKs在棉花抗病、抗逆中的作用,利用已公布的雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组数据,并从NCBI数据库中收集陆地棉的MAPKs氨基酸序列,运用生物信息学的方法对棉花(陆地棉、雷蒙德氏棉、亚洲棉)MAPK、MAPKK和MAPKKK家族的氨基酸序列进行了同源比对和聚类分析。结果表明:棉花MAPK家族具有特征性结构TEY磷酸化位点或TDY磷酸化位点,依据其氨基酸序列可划分为A、B、C和D族,其中TEY类包含A、B和C族,TDY类只包含D族;棉花MAPKK家族具有特征性保守区域S/T-X5-S/T和活性部位基序D(I/L/V)K,并依据其氨基酸序列也可将其划分为A、B、C和D族;棉花MAPKKK家族具有MEKK特征性保守区域G(T/S)PX(W/Y)MAPEV和Raf特征性保守区域GTXX(W/Y)MAPE(L/V),进而分为MEKK类和Raf类2组亚群。本研究梳理了棉花MAPKs中的MAPK、MAPKK、MAPKKK家族各成员间的关系,为进一步研究棉花MAPKs信号传导途径和揭示其在棉花抗病、抗逆中的作用提供了基础信息。     

雷蒙德氏棉和亚洲棉TCP基因家族的生物信息学分析

TCP基因家族是植物中特有的一类转录因子家族,涉及了植物的多种生长途径以及各种生理生化反应的信号传导。为了更好地了解TCP基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数量和分布情况等,通过生物信息学方法,在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出37个TCP基因家族成员,并对TCP家族成员进行基因结构、染色体定位、保守域、进化关系等分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉全基因组分别编码37个TCP转录因子成员。雷蒙德氏棉30个成员基因分布在10条染色体上,亚洲棉37个成员基因分布在13条染色体上;内含子/外显子结构分析表明,TCP基因结构较为简单,大部分不含内含子;功能结构域分析,发现所有TCP转录因子具有高度保守的TCP结构域;根据结构域差异和系统发育分析的结果,将TCP基因家族分成2个亚族,进一步划分为PCF、CIN、CYC/TB1三个亚类。以上结果为进一步研究棉花TCP基因家族各成员的功能奠定一定的理论基础。     

棉属G染色体组野生棉种的体细胞胚胎发生与植株再生研究

通过培养基激素配比、碳源种类等培养条件的筛选，对2个G染色体组棉种（纳尔逊氏棉，Gossypium nelsonii Fryx.；澳洲棉，Gossypium australe F. Muell.）进行体细胞培养并获得了体细胞胚，其中纳尔逊氏棉获得了再生植株，澳洲棉获得了大量的胚状体。与D染色体组棉种克劳茨基棉（Gossypium klotzschianum Anderss）相比，G染色体组棉种再生时间长，且体细胞胚畸形严重、萌发困难，但通过培养条件的调控可以得到大量胚状体和少量再生植株。激素组合0.1 mg L^-1 KT+0.1 mg L^-1 2, 4-D诱导的愈伤组织较松软，分化潜力高；胚性愈伤组织的增殖使用0.2 mg L^-1 KT+0.5 mg L^-1 IBA的激素组合；组合0.25 mg L^-1 IBA＋0.3 mg L^-1 KT有利于体细胞胚胎发生，而含激素组合MSB5+0.15 mg L^-1 KT+0.5 mg L^-1 NAA的培养基适合体细胞胚胎的萌发和植株再生。此外，愈伤组织诱导宜用葡萄糖作为碳源，而在胚性愈伤组织的增殖及保存和胚状体的萌发过程中用麦芽糖作碳源的效果更佳。     

雷蒙德氏棉和亚洲棉SSR重复序列类型和丰度差异比较

 利用生物信息学相关方法对NCBI数据库中39277条亚洲棉（Gossypium arboretum L.）及63588条雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii L.）的EST序列共计64.08 Mb（约相当于基因组的6.02％）分别进行拼接,比较分析了两棉种简单重复序列的重复类型及丰度差异。结果表明：拼接后的一致性序列中,亚洲棉比雷蒙德氏棉存在较高比例的单条序列簇;亚洲棉一至六碱基6种重复类型的SSR间隔距离分别比雷蒙德氏棉的大;亚洲棉中二到六碱基等5种重复类型的比例高于雷蒙德氏棉,但单碱基重复类型比例低于雷蒙德氏棉;两棉种的单碱基、四碱基和六碱基重复类型的优势重复基序和丰度也不同。因此,认为利用四、五、六碱基三种重复类型设计的SSR引物可以有效地鉴定亚洲棉和雷蒙德氏棉的基因组差异。对四倍体棉种的A、D亚组供体棉种中SSR的差异分析,为SSR标记开发、棉种起源和进化的深入研究提供更多有用的信息。     

半野生棉与亚洲棉对草甘膦抗性评价及比较分析

采用叶片棉球定位鉴定法,初步鉴定并评价了半野生棉和亚洲棉对草甘膦的自然抗性,结果表明:参试材料抗性水平从高抗至高感分6级,极端抗性水平相差33.3倍(0.2%对0.006%)。其中,半野生棉对草甘膦的自然抗性分级丰富,抗性水平分布自高抗至高感;但大部分半野生棉不耐草甘膦,近86%(346份)的材料抗性水平处于低耐级别以下。而亚洲棉抗性水平都处于高抗至低耐的4个级别,抗性多样性较差,但整体抗性水平较高,70.3%(71份)表现为耐或以上级别。从半野生棉和亚洲棉中分别筛选到2份和5份高抗材料,半野生棉中有1份高感材料,亚洲棉中无对草甘膦敏感材料。本研究报道的极端材料为棉花草甘膦抗性遗传机制研究、新品种的培育、内源抗性基因的挖掘和感抗机理研究,奠定了良好的材料基础。     

亚洲棉和雷蒙德氏棉PEBP家族基因的鉴定及该家族基因在陆地棉组织中表达分析

磷脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidyl ethanolamine-binding proteins,PEBP)基因家族广泛存在于真核生物中,在被子植物中主要起着促进或抑制开花和控制株型的作用。利用亚洲棉(Gossypium arboreum,A2)和雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii,D5)的基因组数据库,分别搜索到8个棉花PEBP同源基因,都包含4个外显子和3个内含子,编码的蛋白都存在PEBP家族的保守基序和关键氨基酸位点,表明二倍体棉花中至少存在8个PEBP家族基因。进化分析表明,8个PEBP基因分属于3个亚家族,含FLOWERING LOCUS T(FT)-like亚家族1个、TERMINAL FLOWER 1(TFL1)-like亚家族5个(包括3个TFL1和2个BFT)、MOTHER OF FT AND TFL1(MFT)-like亚家族2个。实时荧光定量PCR分析陆地棉(Gossypium hirsutum)8个PEBP基因在根、茎、叶、幼苗顶端分生组织、花、胚珠和25 d的纤维组织中的表达,表明FT1在叶片中表达量最高,其次在纤维、胚珠和花中;MFT1在各组织中均表达,但在纤维中表达量最高,其次是花和叶片中,而MFT2以在叶片中表达为主;TFL1a、TFL1b和TFL1c均在根中表达量最高,但TFL1c在叶片、花和胚珠中也有相对较高的表达;BFT1和BFT2在叶片中表达量最高,但除幼苗顶端分生组织外,BFT1在其他各组织中的表达明显高于BFT2。这些结果表明,PEBP家族基因在棉花的生长发育中可能具有不同的功能。     

三个棉种茎尖培养再生植株培养基的研究

海岛棉、陆地棉、中棉的茎尖(5-10mm)培养在改良MS附加IAA和Kt的培养基上,均诱导产生了完整小植株,由此为繁殖植茎尖无性系提供了可能性.改良MS培养基不但适用于棉花二倍体茎尖培养,而且适用于棉花单倍体茎尖培养,这为单倍体的快繁提供了可能性.棉株发育初期的茎尖和腋芽较现蕾后的茎尖和腋芽更易于生根,根、茎、叶分化也好.日温32℃、夜温28℃比试验的其它温度更有利于棉花生根和茎、叶分化.     

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。     

棉属种间杂交的研究

适宜的温度(25～30℃)、营养生长与生殖生长协调(盆栽)、柱头上涂蔗糖溶液(35%)、苞叶内外点滴赤霉素(50ppm)四者配套,是克服棉花种间杂交不可交配性的关键,其中温度是关键的关健。采用3个栽培种、1个海陆杂种、20个野生种,进行野生种与栽培种或野生种与野生种杂交,得到28个组合。四倍体陆地棉(2n=4x=52)与二倍体野生棉(2n=2x     

澳洲野生棉种子叶色素腺体延缓形成的组织结构观察

对５个澳洲野生棉种休眠种子、种子发育过程中的子叶和种子萌发过程中的子叶进行连续切片观察,并以比克氏棉为例进行透视电镜观察。结果表明,具有子叶色素腺体延缓形成性状的澳洲野生棉种及其杂交后代的休眠种子,虽肉眼看不到色素腺体,但具有一群不同于其它细胞的特殊细胞群,其整体结构类似色素腺体的雏形。因此,提出了“色素腺体原”的新概念。澳洲野生棉种在开花后的幼胚器官形态建成期均先出现色素腺体细胞,然后经数次分裂形成一团色素腺体细胞群,挤压周围细胞而形成为色素腺体原,并保持该结构至种子成熟。当种子萌发１６ｈ后,色素腺体细胞解体,形成色素腺体。此外,本研究对澳洲野生棉种子叶色素腺体延缓形成性状的遗传调控等问题进行了讨论。     

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。     

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.     

Trend and Stability Analysis to Interpret Results of Long-Term Effects of Application of Fertilizers and Manure to Cotton Grown on Rainfed Vertisols

A field experiment was conducted from 1985–1986 to 2002–2003 on Vertisols under rainfed conditions to evaluate the effect of cropping systems and application of fertilizers and manure on seed cotton yield. To determine the long‐term effects, trends and stability analyses were performed. Soil samples (0–0.15 and 0.15–0.30 m) were collected at the end of year 18 and analysed for available P and AB‐DTPA extractable Zn. Among cropping systems, Asiatic diploid cotton (Gossypium arboreum) yielded 233 kg ha^?1 more seed cotton than the upland tetraploid cotton (Gossypium hirsutum). Yield trend was positive for G. arboreum compared with G. hirsutum. However, the slope was not significant. Stability analyses indicated overall higher yield stability for G. arboreum than G. hirsutum. Compared with monocropping G. hirsutum, G. hirsutum–sorghum (Sorghum bicolor L.) (H‐S) rotation was significantly more stable. Soil samples (0–0.30 m) of the manure‐amended plots had significantly greater P and Zn content (above the critical limit) compared to those receiving inorganic fertilizers alone. With regard to nutrient management practices, seed cotton yield was the highest for the integrated nutrient management (INM) treatment receiving a combination of organic and inorganic fertilizers. Among primary nutrients, the effect of P was significant while that of K was not. Balanced fertilizer application was significantly better than treatments receiving N and NK. Yield trends were, in general, not significant. However, a positive trend was noticed for treatments receiving manure compared to fertilizer alone. Stability analysis, on the other hand, indicated that the slopes were, in general, significant. Among the nutrients, mean yield response with and without P was 1007 and 672 kg ha^?1 respectively. Combined application of manure and fertilizer (INM) resulted in the highest mean yield response (1218 kg ha^?1) and the slope was highly significant (P < 0.004). In the manure‐amended plots, a better nutrient status probably imparted a greater degree of yield stability. The present study suggests that compared to trend analysis, stability analysis being sensitive as it recognizes the treatment × environment interaction, is a better option to interpret results from long‐term agronomic experiments.     

亚洲棉和雷蒙德氏棉MATE基因家族生物信息学及其同源基因在陆地棉中的表达分析

多药和有毒化合物排出(MATE)蛋白家族是1个次级转运蛋白家族。为了更好地了解亚洲棉和雷蒙德氏棉中MATE蛋白的种类和数量,利用2种二倍体棉花基因组的氨基酸和c DNA数据库对MATE基因家族进行筛选,并分析亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组中MATE基因的种类和进化关系。结果显示,在亚洲棉基因组中初步鉴定了34个MATE基因,而在雷蒙德氏棉中筛选出42个MATE基因。基因结构和系统进化的比较分析表明,进化关系近的MATE基因在结构上基本是一致的。同时对陆地棉中克隆的Gh TT12及与其同一族的部分MATE基因进行荧光定量分析,推测其所在同一族的MATE基因功能可能与转运原花青素有关。这些结果为进一步深入分析棉花MATE基因的功能以及在原花青素转运中的作用提供了理论基础。     

陆地棉与雷蒙德氏棉种间杂种后代的胚胎学观察

观察了陆地棉(Gossypium hirsutum L.)与雷蒙德氏棉(G.raimondii U(?)br)种间杂种三倍体F_1、六倍体 F_1和六倍体 F_2、四倍体 F_2以及两个亲本种的早期胚胎发育行为,结果表明,三倍体 F_1有98%以上的胚珠不能形成胚囊,自交和回交完全不育;六倍体 F_1和 F_2及四倍体 F_2均有90%以上的胚珠能形成胚囊,自交和回交部分可育;但其初     

克服棉属种间杂交不亲和性的研究

陆地棉（Ｇ．ｈｉｒｓｕｔｕｍＬ．２ｎ＝５２）与亚洲棉（Ｇ．ａｒｂｏｒｅｕｍＬ．２ｎ＝２６）杂交，由于种间隔离，遗传机制差异较大，不易结实，我们多年研究结果表明，棉属（Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ）种间杂交由于选配的亲本不同Ｆ０代的成胚频率差异很大，选择植株呼吸强度大，叶绿素ａ含量高和主要经济性状如单铃重、单铃种子数、子指等一般配全力较高的棉种作亲本，可以显著提高杂交当代的成胚率。     

陆地棉与毛棉杂种性状遗传学和细胞学研究

本文研究了陆地棉与毛棉棉种间杂种后代的主要形态特征及Ｆ１花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ染色体的行为。结果表明：杂种Ｆ１植株营养生长和生殖生长均旺盛；毛棉的高强纤维性状在杂种早代得到表达，可望通过轮回选择提高现有陆地棉品种的纤维强度；杂种Ｆ１花粉母细胞减数分裂时染色体配对正常，其后代不育原因可能由生理因素不协调造成；杂种后代短日照性强；陆地棉与毛棉亲缘关系比较近，仅在部分染色体间发生分化，存在染色体结构上的差异。