棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析

以14个纤维品质差异的棉花品种(或品系)为材料,研究10个纤维发育相关基因时空表达变化与纤维品质的关系,为阐明棉纤维发育相关基因与纤维品质形成关系提供理论基础。利用实时荧光定量PCR技术检测10个基因在14个供试品种(或品系)不同纤维发育时期的相对表达量,结果表明,虽然遗传背景完全不同,但它们具有某些共同表达特征。GhExp1、GhCIPK1、GhSus1、GhSusA1和GhPL这5个基因都是在纤维伸长期优势表达;GhACT1、GhRacA和GhRacB是在纤维伸长前期和次生壁加厚期高表达;而GhCelA1和GhcelA3是在纤维伸长后期和次生壁加厚期优势表达。这些基因表达谱与纤维品质关联分析显示,GhRacA在23DPA高表达且表达量与纤维品质显著正相关,其余基因在低表达时其表达量与纤维品质呈显著性相关,而在高表达时其表达量与纤维品质无相关性。GhExp1在20DPA的表达量与纤维比强度和整齐度呈显著负相关,与伸长率呈极显著正相关;GhPL在23DPA的表达量与纤维长度呈显著负相关;GhRacA在5DPA和23DPA的表达量均与伸长率呈极显著正相关;GhRacB在10DPA的表达量与长度和整齐度呈显著负相关;GhCelA1基因在5DPA的表达量与纤维长度呈显著正相关,与马克隆值呈显著负相关,在10DPA的表达量与马克隆值呈显著正相关,与伸长率达到极显著正相关,与比强度呈显著负相关,与长度和整齐度呈极显著负相关;GhCIPK1、GhACT1、GhSus1、GhSusA1和GhCelA3 这5个基因在纤维发育各时期的表达量与纤维品质各指标未检测到相关性。     

棉花纤维发育相关基因时空表达特性的差异比较

棉花纤维发育过程包括起始、伸长、次生壁加厚和脱水成熟等阶段,是一个较为复杂的网络基因调控过程。为分析相关基因在不同棉种(属)纤维发育过程中时空表达特性,本研究以陆地棉、海岛棉和亚洲棉为研究对象,选取已确定与棉纤维发育相关的特异基因(GhACT1,GhCAD1,GhCCR1,GhExp1,GhExp2,GhCIPK1和GhPL),利用实时荧光定量PCR技术,系统分析这些基因在棉纤维发育过程的授粉当天(0 day post anthesis,0 DPA)、5天(5 DPA)、10天(10 DPA)、15天(15 DPA)、20天(20 DPA)、25天(25 DPA)的表达趋势变化。研究结果表明,所选特异基因在棉花纤维发育过程都有较高表达水平,但由于遗传背景不同,这些基因在不同棉种(属)纤维发育过程中表达趋势呈一定差异。通过对比分析GhExp1和GhExp2的基因表达趋势,本研究推测GhExp1对棉花纤维伸长的作用效果较为显著。此外,考虑到陆地棉、海岛棉和亚洲棉在纤维长度等方面的差异性,本研究推测GhACT1和GhExp1表达趋势变化对调控棉花纤维伸长有着重要作用。本研究结果可为深入分析棉花纤维发育相关基因与棉花纤维伸长的相关性提供参考。     

陆地棉主要经济性状的相关分析

相关分析结果表明：纤维强度与产量、衣分呈负相关，但偏相关系数小无真实相关性。纤维强度与伸长率、籽指是极显著或近显著正相关。伸长率与皮棉产量呈显著负相关，与衣分是显著偏正相关。纤维长度与整齐度、马克隆值是显著负相关。马克隆值与籽指呈显著偏正相关。皮棉产量与籽棉产量，衣分呈显著正相关。但籽棉产量与衣分是极显著偏负相关。     

陆海杂种高代回交自交系纤维细度性状相关性分析

 利用陆地棉34B与海岛棉Giza70杂交所得的稳定的高代回交自交系BC₂F_4:6 、BC₂F_4:7家系,开展了三个环境下纤维细度等品质性状的相关分析。结果表明：1)纺纱均匀指数与长度、整齐度、比强度呈极显著正相关,与伸长率呈极显著负相关。纤维长度和比强度间均存在极显著的正相关,与伸长率呈极显著负相关。2) HVI 900测定的麦克隆值与比强度和纺纱均匀指数呈极显著负相关;成熟度比率与麦克隆值呈显著或极显著正相关,与线密度呈极显著负相关,与其它性状间的相关性三个环境下都不一致;线密度与纺纱均匀指数呈极显著正相关,与长度、比强度均达到极显著或显著负相关,与整齐度不相关,与伸长率为负相关。相对而言,线密度与各性状的相关性要比HVI 900测定的麦克隆值和成熟度比率稳定,受环境影响小,有必要进一步加强对线密度的选择及深入研究。     

基于表型的棉花种质资源遗传多样性分析及核心种质的抽提

种质资源是遗传育种研究的基础,分析种质资源的遗传多样性,可为亲本选配提供一定的理论依据。通过对500份棉花种质资源材料的11个表型性状,进行遗传多样性、相关性、主成分和聚类分析,结果表明,11个性状的平均变异系数为9. 69%,有6个性状的变异系数超过了10. 0%,其中结铃数的变异系数最大为20. 14%,纤维整齐度的变异系数最小为1. 81%;各性状的遗传多样性指数为1. 71～2. 06,结铃数的遗传多样性指数最高,生育期的遗传多样性指数最低;相关性分析表明,各性状间存在着不同的相互关联,纤维长度与纤维整齐度、断裂比强度、生育期呈极显著正相关,与马克隆值极显著负相关,断裂比强度与马克隆值、生育期呈极显著正相关,衣分与纤维长度、纤维整齐度、马克隆值呈极显著正相关,与子指呈极显著负相关,铃质量与衣分、纤维长度、纤维整齐度、生育期呈极显著正相关;主成分分析提取到了5个主成分,累积贡献率为73. 677%,第1主成分与纤维长度、断裂比强度、纤维整齐度有关,第2主成分主要和衣分有关,第3主成分主要与马克隆值有关,第4主成分主要与果枝数有关,第5主成分主要与铃质量有关;聚类分析将500份棉花种质材料在遗传距离1. 33处分成了4大类,第Ⅰ类群包含1份材料,属于株高高、铃质量大、衣分低、子指高的材料;第Ⅱ类群包含73份材料,属于结铃数少,衣分偏低,纤维品质较差的棉花材料,第Ⅲ类群包含122份棉花材料,属于铃质量、衣分、纤维长度、纤维强度最好的棉花材料,第Ⅳ类群包含304份棉花材料,属于铃数、铃质量、衣分、纤维长度、纤维强度适中的棉花材料;提取了50份棉花资源材料构建了核心种质库,核心种质库与原始群体相比各性状的变异系数、方差更高,表明核心种质具有更好的异质性,更大的变异。核心种质库用最少的资源数目保留了种质资源的遗传信息,不仅减少了种质保存的工作量,也更有利于育种亲本的选配。     

海岛棉主要纤维品质性状的分离及相关性分析

以海岛棉新海3号×吉扎82的190个F2：3家系为材料,对海岛棉主要纤维品质性状在后代群体中的分离规律及性状间的相关性进行了研究。结果表明,海岛棉主要纤维品质性状均是由微效多基因控制,符合正态分布,表现为数量性状遗传方式。相关分析表明,纤维上半部平均长度与断裂比强度、整齐度呈极显著正相关,与短绒指数呈极显著负相关,马克隆值与断裂比强度和整齐度呈显著正相关。     

陆海杂种棉花自然吐絮铃与霜后大铃的纤维品质差异比较分析

通过对两套材料（15个海岛棉及其陆海杂种F1与89个陆海杂种BC2F1群体株系）霜后大铃（未正常吐絮）与霜前自然吐絮铃纤维品质性状的分析,结果为除比强度和伸长率外,2003年的15个材料霜后大铃比正常吐絮铃的平均纤维长度短1.15mm、马克隆值降低1.00、整齐度减少2.16,差异都达到了极显著水平;除纤维长度外,2005年的89个群体株系霜后大铃比自然吐絮棉铃平均纤维比强度增加1.73cN/tex、马克隆值降低1.33、整齐度减少0.49、伸长率增加0.21,差异也都达到了极显著水平。霜后大铃与自然吐絮铃纤维品质均存在显著或极显著的正相关,不同材料霜后大铃纤维品质性状的变化趋势与自然吐絮铃的基本一致。这说明了霜后大铃对多数纤维品质性状具有显著的影响,特别是马克隆值和纤维整齐度。但是与自然吐絮棉铃一样,霜后大铃仍能基本反应材料间的纤维品质性状的遗传差异,这对陆海杂种棉花纤维品质遗传研究和育种选择意义重大。     

枯萎病对棉花产量和纤维品质的影响

对2002年长江流域棉花区试的10个新品种进行了抗枯萎病(Fusariumwilt)鉴定,并从每个品种中各选择30个单株,分株计产,按株取样检验其纤维品质。分析棉株不同的枯萎病级别对棉花产量和品质的影响。结果表明:(1)有2个品种抗枯萎病;6个耐病;2个感病。(2)枯萎病株的皮棉产量比健株减产的百分率分别为:Ⅰ级26.48%,Ⅱ级45.50%,Ⅲ级54.57%,Ⅳ级77.76%,减产极显著。(3)病株纤维的长度、整齐度、比强度和伸长率也均显著或极显著低于健株。棉株枯萎病级别与纤维长度呈极显著负相关,与比强度和麦克隆值呈显著负相关。     

转基因抗虫棉纤维品质性状的遗传分析

 根据ADAA遗传模型分析了7个转基因抗虫棉亲本、两个非转基因抗虫亲本和36个半双列杂交F1的纤维品质性状的两年资料,估算各项遗传方差和成对性状间的遗传相关性。结果表明,转基因抗虫棉纤维品质的5个性状受加性、显性和上位性的共同控制,其中麦克隆值、2.5%纤维长度和纤维比强度以基因显性效应为主,麦克隆值和纤维整齐度以上位性效应为主。除纤维比强度外,其余4个纤维品质性状都受到环境互作效应的影响,且影响较大。遗传相关分析表明,纤维比强度与2.5%纤维长度的基因型相关和表型值相关达极显著水平,其中加性相关未达显著水平,显性相关达极显著水平。比强度与麦克隆值的基因加性相关也达极显著水平,但表型相关未达显著水平。利用亲本和F₁的资料预测了F₂的基因型值和杂种优势。结果表明,F₂代的麦克隆值、伸长率、2.5%纤维长度、整齐度、纤维比强度的中亲优势分别为1.0%, 8.5%, 0.8%, 0和2.9%, 无超亲优势。     

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。     

5个棉花纤维突变体胚珠和纤维的离体诱导

离体诱导不同类型的纤维突变体胚珠纤维发育 ,研究纤维突变体离体纤维发育的情况。结果表明 :不同基因型突变体的纤维离体发育各不相同 ,纤维诱导率和纤维生长量均较对照差。纤维突变体诱导产生棉纤维的能力依次是 TM- 1 >Li>N1>T- 5 86>H10 。无絮突变体在 Bt培养基上能产生绒状细胞团 ,很少有单细胞纤维的生长。离体培养纤维以同时含 GA3和 IAA的 Bt培养基生长较好 ,一般以 5μmol· L- 1IAA + 0 .5μmol· L- 1GA3的 Bt培养基较合适。不同突变体对 GA3和IAA的浓度组合有特殊性。 GA3对胚珠膨大的作用大于 IAA,并易产生愈伤组织。以 fl、T- 5 86愈伤组织的发生频率较高 ,并以 Bt+ 0 .5μmol· L- 1IAA+ 5μmol· L- 1GA3培养基产生愈伤组织频率最高。     

棉纤维发育相关糖类物质转化与纤维产量形成的关系

以生育期相近的2个棉花品种不同季节成铃的棉纤维为材料,研究棉纤维发育相关糖类物质转化、纤维素合成特征与棉纤维干物质质量形成的关系.结果表明:随着开花结铃时间的推迟,棉纤维中可溶性糖和蔗糖的转化率有下降的趋势;可溶性糖和蔗糖转化率高的棉纤维,其纤维素累积最大速率较高,纤维干物质质量快速增长期历时长,有利于纤维干物质质量的增加.对于不同结铃时期的棉铃,棉纤维中蔗糖和纤维素均是通过调节可溶性总糖含量的变化来影响棉纤维干物质质量的增加.因此,棉纤维发育过程中可溶性糖类物质转化情况和纤维素合成特征的差异,是导致不同结铃时期单铃纤维干物质质量形成差异的直接原因.     

遮光对彩色棉的色泽及纤维品质的影响

通过对棕色棉和绿色棉不同发育时期棉铃的遮光处理,研究了遮光对彩色棉的纤维色泽和纤维品质的影响。结果表明,棕色棉和绿色棉在-5~55 DPA(开花后的天数)遮光后,其纤维还表现各自的纤维色泽,但其纤维色泽鲜艳度和稳定性在不同遮光时期有一定程度的差别。棕色棉在25DPA以前遮光的纤维颜色比对照变淡;绿色棉在不同生育期遮光后颜色比对照深。遮光对彩色棉和白色棉纤维品质的若干指标有一定的影响,在5~15DPA遮光的纤维都比不遮光的对照粗,在30DPA遮光的纤维长度和强度都较好,35DPA以后遮光的纤维长度和强度随遮光时间的延长越来越差,在45~50DPA套袋遮光后的纤维长度、强度和整齐度都比不遮光的要低得多。     

不同天然彩色棉纤维品质和纤维超微结构的差异

对不同品种彩色棉纤维品质、纤维素含量、蜡质含量研究结果表明,纤维素含量越高、蜡质含量越少,纤维品质越好;同时电镜检测结果发现,棕色棉和绿色棉纤维中色素分布位置具有较明显差异,细胞中色素含量越少,纤维品质越好。从总体材料来看,绿色棉纤维品质总体最差,个别经过改良的棕色棉纤维品质已经达到甚至超过对照白棉;棕色棉纤维品质可能和其色泽深度有关系,颜色越浅纤维品质越好,这可能是因为与白色棉杂交改良的结果。     

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。     

氮素调控棉花纤维蔗糖代谢及纤维比强度的生理机制

以棉纤维比强度高(科棉1号,平均比强度为35 cN tex^-1)和中等(美棉33B,平均比强度为32 cN tex^-1)的2个基因型为材料,于2005年在江苏省农业科学院(长江流域下游棉区)和江苏省邳州县宿羊山镇(黄河流域黄淮棉区)设置氮素水平(零氮为0 kg hm^-2,适氮为240 kg hm^-2,高氮为480 kg hm^-2)试验,研究氮素调控棉纤维蔗糖代谢及纤维比强度的生理机制。结果表明,棉铃对位叶氮浓度随铃龄变化的趋势符合幂函数曲线[ , YN为棉铃对位叶氮浓度(%),t为铃龄(d),a、b为参数]。高氮水平下的a值显著增加,导致铃龄24 d前纤维中蔗糖代谢相关酶(蔗糖酶、蔗糖合成酶和磷酸蔗糖合成酶)活性和蔗糖转化量、纤维素最大累积速率以及铃龄24 d纤维比强度降低;零氮水平下的b值显著增加,与铃龄24 d后纤维蔗糖代谢相关酶活性和蔗糖含量峰值降低、纤维素快速累积持续期缩短以及铃龄24 d后纤维比强度增幅减小的关系密切。上述变化特征在品种间一致,是棉纤维发育对棉铃对位叶氮浓度做出的重要生理响应,进而导致高氮、零氮水平下的成熟纤维比强度显著降低。铃龄24 d是氮素调控棉纤维蔗糖代谢及纤维比强度的转折期,该时期的棉铃对位叶氮浓度分别为3.15% (南京)、2.75% (徐州)时有利于高强纤维的形成。     

棉花纤维素累积特性的基因型差异及与纤维比强度形成的关系

以14个纤维比强度差异明显的棉花品种为材料,研究了棉纤维素累积特性的基因型差异及与纤维比强度的关系。结果表明,棉株不同果枝部位棉铃的纤维素累积均符合Logistic曲线,棉纤维素累积的5个特征值（纤维素快速累积期的起始、终止时期,最大累积速率及其出现的时期,快速累积持续期）在品种间的变异均较大,与纤维比强度的相关系数存在大小和正负的差异。其中,纤维素最大累积速率和快速累积持续期的变异最大,前者与纤维比强度呈极显著负相关,后者与纤维比强度呈极显著正相关。进一步以纤维素最大累积速率和快速累积持续期为变量,在同样欧氏距离下,基于棉株上、中、下3个果枝部位数据的聚类结果不完全一致,但总体上14个品种可分为纤维素累积快、平缓、中等3种类型,德夏棉1号、科棉1号和美棉33B分别是其中心品种。同时以纤维比强度为变量的聚类分析表明,这3个品种又分别是低强纤维、高强纤维、中等强度纤维3种类型的中心品种。总之,在棉纤维发育过程中,纤维素累积特性存在明显的基因型差异,且高强纤维的形成是以纤维素平缓累积为基础,纤维素累积过快似乎不利于纤维比强度的形成。     

微生物预处理秸秆纤维浆结构、形态及成膜性研究

为研究生物预处理对秸秆纤维解离作用,促进制浆过程纤维分丝帚化及成膜性,采用实验室模拟发酵法,探讨微生物接种量及发酵时间对秸秆纤维化学组分、纤维形态及膜力学性质的影响。结果表明,与对照相比,接种1%外源菌处理稻秸14天时降解率达到20%,纤维降解适中,细小纤维占比仅59.63%~67.91%,纤维间交织力增强,纤维的疏解与拆分效应提升,打浆能耗降低71.54%。且随发酵时间的延长,纤维膜的抗张强度先升高再降低,第7和14天时分别提高7.6%和4.64%;3%接菌量处理14天时,浆料重均和质量加权增幅最大至28.57%和49.36%,膜撕裂度最高达240.9 mN。抗张强度与纤维质量间无明显相关性,耐破强度与纤维质量加权长度间呈负相关,撕裂强度与纤维数均长度、重均及纤维长宽比间呈显著正相关。该研究为生物降解秸秆纤维地膜的开发应用可行性提供技术支撑。     

干旱条件下棉纤维细胞POD活性变化及其与纤维伸长的关系

花铃期缺水干旱引起棉纤维胞壁ＰＯＤ和可溶性胞质ＰＯＤ活性升高，而胞壁蛋白质含量和胞质蛋白质含量以及纤维细胞伸长生长的速度却明显降低。干旱条件下胞壁ＰＯＤ活性升高是纤维伸长生长受抑的主要原因之一。