棉花阿拉伯半乳糖蛋白基因的克隆、表达与染色体定位分析

陆地棉李氏超短纤维突变体(Li1li1)是显性单基因突变体,表现为茎秆、叶片卷曲,纤维短至6mm,其隐性纯合体(li1li1)则表现为株型和纤维发育都正常。对开花后10d的李氏纤维发育正常材料(li1li1)和超短纤维突变体(Li1li1)胚珠纤维混合体进行mRNA差异显示反转录PCR(DDRT-PCR)分析,获得1条在李氏纤维发育正常材料中上调表达的差异片段。进一步通过5'RACE技术获得全长为621bp的cDNA,测序及DNA序列的生物信息学分析表明该cDNA片段与拟南芥编码阿拉伯半乳糖蛋白基因AGP14有52%相似性,故命名为GhAGP。表达特征分析表明,该基因在陆地棉根、茎、叶和纤维中组成性表达,在棉纤维中优势表达。基因组序列分析显示,该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中各有1个拷贝,在四倍体棉种陆地棉TM-1和海岛棉海7124中分别存在2个拷贝,表明A、D亚组中各有1个拷贝。利用本实验室陆地棉遗传标准系TM-1和海岛棉海7124培育的含140个单株的BC1作图群体,将GhAGP基因的2个拷贝分别定位在四倍体棉花部分同源转化群染色体6和染色体25上。     

棉花纤维特异表达GhCesA4启动子的克隆及序列分析

 以新疆陆地棉品种新陆早19的DNA为模板,克隆了棉花纤维特异启动子GhCesA4,GenBank登录号：EU183119 ,将启动子基因序列克隆到pMD19-T载体中,由载体通用引物M13-47、RV-M 经PCR鉴定获得pMD19-T/GhCesA4重组载体。测序和序列分析表明,该启动子序列由1503 bp核苷酸组成,与GenBank中GhCesA4基因启动子序列同源性高达98％。分别用限制性内切酶ClaⅠ和BamⅠ双酶切重组质pMD19-T/GhCesA4和双元植物表达载体pBI121,分别回收pMD19-T/GhCesA4重组质粒中的GhCesA4小片段和pBI121 植物表达载体中缺失CaMV35S组成型启动子的大片段,经连接、转化、酶切及测序鉴定,获得由GhCesA4驱动报告基因GUS的新型植物表达载体,命名为pBI-GhCesA4     

棉花纤维特异表达基因GhF1的分离及鉴定

采用mRNA荧光差异显示结合cDNA末端快速扩增技术,克隆了一个棉纤维特异表达基因的全长cDNA,命名为GhF1,该cDNA全长622 bp,含有一个编码66个氨基酸蛋白的开放阅读框。Southern杂交分析表明该基因在陆地棉(Gossypium hirsutumL.)中含有两个拷贝。Northern杂交分析表明该基因在棉花纤维细胞特异表达,在纤维发育过程中,GhF1转录产物的累积主要发生在纤维细胞发育的早期阶段。尽管未发现该基因与已知基因有任何同源性,但其分布的组织特异性和表达的发育阶段性暗示该基因在纤维伸长中起作用。     

一个新的棉花MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析

MYB类转录因子是指含有MYB结构域的一类转录因子, 广泛参与植物发育和代谢调节。含2个MYB结构域的R2R3类MYB转录因子在植物体内主要参与次生代谢的调节和控制细胞的形态发生。从优质材料7235不同发育时期的棉纤维混合cDNA文库中克隆了一个棉花MYB转录因子基因GhTF1(GenBank登录号: EF651783)。该cDNA序列长1 115 bp, 其开放读码框长度为771 bp, 编码256个氨基酸。表达特征分析表明, 该基因在陆地棉7235不同组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前1 d, 开花后8 d和11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中开放读码框区的序列较保守, 但在非编码区差异较大, 在内含子区存在大片段插失和碱基替换现象。Southern杂交结果表明该基因在陆地棉基因组中存在2个拷贝, 推测A、D亚组中各有1个拷贝。利用海7124和TM-1两亲本配置的BC₁作图群体, 将GhTF1定位在染色体10上。     

棉花GhCO基因的克隆与表达分析

以中棉所36均一化全长cDNA文库为基础,利用RT-PCR技术从棉花中克隆了一个新的CO蛋白基因,命名为GhCO(GenBank:HM006910)。GhCO cDNA的ORF全长为1017 bp,编码338个氨基酸,含有一个CCT域和两个BBOX域。序列比较分析结果表明,GhCO蛋白与蓖麻RcCO、芒果MiCO具有较高的同源性,是棉花CO蛋白家族中的新成员。QRT-PCR结果表明,GhCO在棉花的花、蕾、胚珠等均有表达,而且在蕾和花中优势表达。GhCO在花芽分化形态出现以前就已经高调表达,推测可能与棉花的花芽分化有关。AtCO已经证明在花发育过程中对开花时间起正向调节因子的作用,推测GhCO蛋白在花发育过程中可能起重要作用。因此,构建了pBIGhCO过量表达载体,为进一步研究GhCO的功能奠定了重要的基础。     

一个棉花类受体蛋白激酶基因的克隆与表达分析

 利用简并引物扩增、染色体步移以及RT-PCR的方法,分离了棉花的一个类受体蛋白激酶基因的全长序列。序列分析表明,该基因没有内含子,开放读码框的长度为2964 bp,编码的多肽序列含有988个氨基酸并与拟南芥控制花器官脱落的基因HAESA-like2具有60%左右的相似性,将该基因命名为GRLK5。半定量RT-PCR分析发现GRLK5在种子、茎皮、根和纤维中的表达量较高,并且受ABA的诱导表达。将GRLK5整合到植物表达载体pCAMBIA2301中,构建植物过量表达载体,通过农杆菌介导,采用叶盘法转化烟草,PCR检测证明目的基因已经整合到烟草基因组中。     

棉花纤维特异转录因子GhMADS9的克隆及功能初步分析

从快速伸长的纤维细胞中克隆到了一个转录因子,通过序列比对发现其具有典型的MADS-box结构域,命名为GhMADS9。进化树分析表明GhMADS9属于典型的MIKC类MADS转录因子,与在拟南芥胚中高表达的转录因子AGL15亲缘关系最近。RT-PCR和原位杂交试验表明GhMADS9在纤维细胞中特异表达。酵母单杂交试验证明GhMADS9具有转录因子激活活性。继续研究GhMADS9对下游基因的调节机制有利于更加深入地了解棉纤维发育机制。     

棉花GhDIS2基因的克隆与酵母表达

棉花纤维由胚珠外被单个表皮细胞分化发育而成,其分化和伸长涉及细胞骨架的重排。本研究根据已报道的植物DISTORTED2基因,同源候选基因法克隆棉花GhDIS2。该基因包括975bpORF,编码324个氨基酸。qPCR分析表明,它在陆地棉TM-1不同来源的组织中均表达,于开花后12d的纤维中达到表达高峰,开花后18d表达开始下降,根和茎的表达量较低。Southern杂交结果表明,GhDIS2在四倍体棉花基因组中存在2个拷贝。克隆GhDIS2到酵母表达载体中,并转化到裂殖酵母中,诱导该基因过量表达,GhDIS2促使细胞扩大。初步推测,GhDIS2和其它植物DIS2功能相似,参与植物细胞肌动蛋白骨架的组装。     

棉花中两个新的F-box蛋白基因的克隆与表达分析

 以棉花EST序列分析为基础,利用电子克隆和RT-PCR技术,从棉花中克隆了2个新的F box蛋白基因,分别命名为GhFB1 (GenBank核酸数据库登录号：EF419428)和GhFB2 (GenBank登录号：EF503623)。GhFB1cDNA全长866bp,编码162个氨基酸;GhFB2 cDNA全长657bp,编码161个氨基酸,而且两者均含有植物F-box蛋白家族特有的F-box结构域。序列比较分析表明,GhFB1和GhFB2蛋白与水稻OsGID2,拟南芥AtSLY1具有高同源性,是棉花中F-box蛋白家族的新成员。RT-PCR结果表明,GhFB1和GhFB2在根、下胚轴、叶、茎、花和纤维中都有表达,而且均在棉花纤维起始和伸长时期有优势表达,推测这2个基因在棉纤维早期发育中可能起重要作用。     

陆地棉极短纤维突变体基因Li_2的遗传与定位

Li2突变体是在纤维伸长发育阶段纤维极端缩短类型的突变体,其控制极短纤维表型的基因被命名为Li2。本文以(Li2×海7124)F2及(Li2×sub18)F2作为标记群体,结合本实验室最新的海陆种间分子遗传图谱上染色体18的标记信息,对陆地棉纤维突变体Li2的极短纤维性状进行基因定位。在(Li2×海7124)F2分离群体中,纤维性状分离比符合孟德尔3∶1的分离,证明Li2突变体的极短纤维性状是由一对完全显性单基因控制。而在(Li2×sub18)F2分离群体中,纤维性状分离比出现异常,不符合3∶1的分离比,这可能与Li2突变体的温敏特性有关。利用JoinMap 3.0连锁分析软件,使用含623个单株的(Li2×海7124)F2群体将Li2基因定位在18染色体的端部,与最近标记Z08的遗传距离为6.051 cM;使用含651个单株的(Li2×sub18)F2群体将Li2基因也定位在了18染色体的端部,与最近标记Z08的遗传距离为9.266 cM。研究结果为进一步精细定位与图位克隆该基因提供了基础。     

陆地棉低世代群体纤维品质QTL定位及候选基因功能注释

【目的】通过对纤维品质数量性状位点(Quantitative trait loci,QTLs)定位及其基因功能注释,为分子标记辅助育种提供理论依据。【方法】以2个纤维品质有差异的陆地棉品种(系)中棉所49和396289为亲本构建F2群体,以高密度遗传图谱为基础,对3个环境的F2:3家系做包括细度和成熟度等在内的7个纤维品质性状QTLs定位,利用直系同源基因簇(Clusters of orthologous groups,COG)、基因本体(Gene ontology,GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)等数据库对QTLs做基因功能注释。【结果】获得157个与纤维品质有关的QTLs,分布于20条染色体上,A03、A04、D02、A11和D07等有较多性状的QTLs聚集,可能是控制纤维品质性状的关键染色体。共获得13个稳定QTLs,其中qFL-A03-1和qFin-A11-4在3个环境中重复出现,另有9个QTLs则在2个环境中重复出现。通过COG、GO和KEGG对QTLs进行基因功能注释,共获得4 763个候选基因,3个数据库分别注释到2 416、4 188和2 512个基因,在稳定QTLs中共注释到429个基因,其中一些基因可能与纤维品质关系密切。【结论】利用高通量测序获得的高密度遗传图谱有助于获得较多QTLs,有利于纤维品质相关候选基因的筛选及性状的改良,提高育种效率。     

QTL Mapping of Fiber Quality in Low-Generation Upland Cotton Populations and Functional Annotation of Candidate Genes

[Objective] This article aims to provide a theoretical basis for molecular marker-assisted breeding by quantitative trait loci (QTLs) mapping and gene function annotation of fiber quality. [Method] F₂ populations were constructed using the two cotton cultivars (lines), CCRI 49 and 396289, as parents. Based on high-density genetic maps, the F_2:3 families with three environments were included in the F2 population. The QTL mapping of seven fiber quality traits including fineness and maturity, etc., was performed using the Clusters of orthologous groups (COG), Gene ontology (GO), and Kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG) databases to annotate QTLs for gene function. [Result] A total of 157 QTLs related to fiber quality were obtained and distributed on 20 chromosomes. QTLs with more traits on A03, A04, D02, A11 and D07 chromosomes clustered and may be the key chromosomes controlling fiber quality traits. A total of 13 stable QTLs were obtained, of which qFL-A03-1 and qFin-A11-4 were repeated in three environments, and nine other QTLs were repeated in two environments. And 4 763 candidate genes were annotated, with 2 416, 4 188, and 2 512 genes being annotated in COG, GO, and KEGG, respectively. Among them, 429 genes were annotated in stable QTLs. Some of these genes may be closely related to fiber quality. [Conclusion] The high-density genetic map obtained by high-throughput sequencing can help to obtain more QTLs, which is beneficial to the screening of candidate genes related to fiber quality and the improvement of fiber traits, and improves the breeding efficiency.     

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.     

利用重组自交系定位棉花第22染色体短臂的纤维品质性状的QTL

 以TM-1的染色体片段代换系CSB22sh和TM-1杂交,构建了包含104个家系的重组自交系（RILs）群体。利用74对具有多态性位点的引物进行检测,构建了包含61个多态性位点,长度为76.93 cM的遗传图谱,平均标记间距离1.26 cM。利用此遗传图谱结合重组自交系群体4个环境下的5个纤维品质性状进行QTL定位,共定位出12个QTLs,解释性状表型变异的2.45%～21.11%;在1,2,3,4个环境中同时检测到的QTLs分别有9,1,1,1个。而利用4个环境平均值进行联合分析定位出个4个QTLs,纤维长度和纤维整齐度的QTLs均为2个,解释性状表型变异的14.37%～19.97%,并且纤维长度和整齐度的QTL在相同的位置。多环境下检测到的QTL可能对标记辅助选择有实际应用价值。     

棉花优异品质及抗性基因挖掘与分子育种

棉花品质、产量、抗性等均是多基因控制的数量性状,其表现型受基因型和环境的共同影响,且纤维品质和产量性状之间存在较大的负相关,采用常规育种手段实现棉花纤维品质与产量的同步改良具难度很大,针对棉花品质、产量、抗性等性状形成的遗传基础这一关键科学问题,棉花品种分子设计研究团队以陆陆种内分离群体、陆海种间分离群体等材料,交叉利用分子数量遗传学、功能基因组学和分子育种学等研究手段,在陆地棉优质品质及抗性基因挖掘、海岛棉优质品质及抗性基因挖掘以及分子标记辅助方法开发及棉花新品种培育等方面取得了一系列研究成果。为棉花品质、产量、抗性性状形成的同步改良奠定了重要基础。     

绿色棉遗传规律分析及其对产量和纤维品质的影响

 通过天然红叶绿色棉和绿叶白色棉的杂交,统计分析F₁,F₂代叶与纤维色泽的遗传分离规律,以及色素对纤维生长的影响。验证了红叶色素和绿色长绒色素性状是由两对位于两条染色体上,由独立遗传的不完全显性基因控制;而绿短绒为完全显性遗传,并且与绿长绒性状位于同一染色体上,由两对非等位基因控制,其遗传距离为1.26 cM。同时, t测验统计分析结果显示,绿纤维棉株的衣分和绒长极显著低于白色棉,说明纤维中绿色色泽有阻碍棉花纤维生长发育作用;红叶对铃重与铃数以及纤维长度和衣分都没有显著影响。因此,在改良彩棉纤维色泽的同时要与提高纤维品质研究相结合,达到共同提高的目的。     

多环境下陆地棉染色体片段代换系及F_1皮棉产量与纤维品质的表型分析

以1套陆地棉染色体片段代换系为亲本材料,采用株系间随机成对杂交组配F1,在5个环境下鉴定片段代换系亲本及F1的皮棉产量与纤维品质性状表现。结果表明,与轮回亲本(中棉所36)相比,F1在铃重与皮棉产量性状上具有一定的对照优势,亲本与F1的纤维长度与比强度均表现出明显的对照优势,且环境间表现一致。F1铃重、衣分与皮棉产量在各个环境下的中亲优势均值全部为正,且相对较大。除个别环境外,纤维长度、马克隆值与比强度的中亲优势均值也全部为正,但数值相对较小。片段代换系及F1的遗传变异丰富,部分亲本与F1在多个环境下的综合表现优异,其皮棉产量与纤维品质得到同步提高,群体材料的遗传改良与杂种优势利用具有广阔前景。     

Fine Mapping of the Fuzzless Gene n2 in Cotton

[Objective] Cotton fibers are single cells derived from the ovule epidermis, cotton fuzz of seeds are also formed by the ovule epidermis. Therefore, we conduct this experiment to locate the fuzzless gene n₂ so as to lay a foundation for its clone and function study. [Method] Two F₂ populations derived from a cross between the Xinhai 21 and the fuzzless mutant of upland cotton (Gossypium hirsutum L.) n₂ was constructed. Combined with cotton genomic data and developed simple sequence repeat markers to locate the gene. The predicted gene sequence was acquired and the differences in its expression in two parents were analyzed by using the quantitative real time polymerase chain reaction method. [Result] The fuzzless gene was located in a 181 kbp region on chromosome A12 within markers P61 and Z10. There are seven candidate genes in the region. Quantitative real time polymerase chain reaction verification shows significant differences in the expression of 72098 gene in two parents. [Conclusion] In this experiment, the fine mapping and candidate genes analysis of gene n₂ were completed, which laid a foundation for n₂ gene cloning and functional verification.