短季棉遗传多样性分析及其重要农艺和经济性状的QTL定位

论文摘要

棉花是重要的经济作物，为纺织工业提供了大部分的天然纤维，是重要的纺织工业原料，在世界及我国国民经济中占有重要的战略地位。短季棉作为一种特殊的生态类型，在我国未来棉业可持续发展中有着不可替代的作用。利用分子标记可以对短季棉种质资源进行快速、准确的评价。本研究利用分子标记—RAPD评价了短季棉的遗传多样性，使育种工作者能更全面地了解早熟短季棉的亲缘关系和遗传基础，并且为指导早熟短季棉育种提供参考数据。本研究利用RAPD标记对我国29份不同年代不同生态区的早熟短季棉品种进行了遗传多样性的比较分析。从600条RAPD引物中筛选出了122条带型清晰且重复性好的多态性引物，在29个短季早熟棉品种中共产生181个多态性位点。采用Jaccard’s相似系数，使用NTSYS-pc 2.10数据分析软件，非加权组平均法（UPGMA）对数据进行聚类，对不同年代品种间平均相似系数进行了分析以及和系谱进行了比较分析，结果表明我国生产上推广的短季棉品种的遗传基础很窄，短季棉育种要取得新突破，必须收集与创新优良种质资源。随着纺织技术的不断更新（环锭纺纱发展到气流转子纺纱到正在发展的喷气纺纱），以及人民生活水平的提高，现有的棉花品种已经不能满足要求。因此，培育高产、优质的棉花品种成为当务之急。然而棉花的产量和纤维性状是复杂的数量性状，而且是负相关的；另外，陆地棉遗传基础狭窄，迫切需要引进海岛棉以及其它野生棉的优质基因。但是陆海种间杂交又存在连锁累赘等问题，传统育种很难打破性状间的连锁和同时兼顾产量和品质的改良。利用分子标记可以构建高密度遗传连锁图谱，可以对重要性状进行QTL定位，并利用与目标性状紧密连锁的标记进行辅助选择育种。本研究利用多种类型（TRAP、SRAP、AFLP和SSR）的分子标记，以陆地棉×海岛棉F2为作图群体，构建高密度的栽培棉的连锁图谱，并对纤维、产量、早熟相关性状进行了QTL定位分析。研究的主要结果如下：1．以陆地棉“中棉所36”为母本，海岛棉品种“海7124”为父本配置杂交组合F1，F1自交后代的222个F2单株（“永久”F2群体）的宿根活体长期保存于海南三亚中国农业科学院棉花研究所野生棉种植园，选取186个F2单株作为作图群体。2．利用不同类型的分子标记对两个作图亲本进行多态性筛选，进而利用多态性引物分析186个F2单株的基因型，共得到1250个分子标记。包括198个TRAPs，758个SSRs，143个AFLPs，151个SRAPs。同时考察了两个形态标记：黄色花药和基部红斑。将1252个标记位点进行X2适合性检验，在5％的水平上共有249个（19.9％）标记位点不符合孟德尔分离比例，表现显著偏分离。SSR、TRAP、SRAP和AFLP的偏分离标记分别有124、38、24和27个，偏分离比例分别为19.2％、18.9％、15.9％和16.3％。3．利用MapMaker／EXP.3.0对所得到的1252个标记进行连锁分析，最终有1097个标记进入35个连锁群，包括SSR 697个，TRAP 171个，SRAP 129个，AFLP 98个和两个形态标记。图谱总长4536.8 cM.，标记间平均距离4.1cM。根据锚定或公共的SSR标记确定连锁群，最后确定了和26条染色体对应的大连锁群和4个未知的小连锁群。每个连锁群的长度在3.5-235.1 cM，标记位点个数为2到63个不等，标记间平均距离为1.8-11.9 cM。其中最长的连锁群染色体9，长度为235.1 cM，含有56个标记。NL1-NL8这8个小的连锁群共有17个标记，长118.6 cM。染色体A亚组有590个标记，遗传距离2215.2 cM，平均距离3.8 cM；D染色体亚组有490个标记，共2203 cM，标记间平均距离4.1 cM。其中45个SSR重复位点建立了异源四倍体棉花13对同源染色体中的11对同源关系。构建到连锁群上的偏分离标记有198个，占图谱总标记的18.1％，其中SSR标记116个、TRAP标记42个、SRAP标记18个、AFLP标记22个，两个形态标记也是偏分离。大部分偏分离标记位点在连锁群上表现为明显的不同程度聚集现象，主要聚集在连锁群的中上部或中下部或末端。有几个可能是偏分离热点区。4．本研究首次利用新型标记TRAP构建棉花的遗传连锁图谱。TRAP（Target Reglon Amplification polymorphism）是一种新型的基于PCR的标记。本研究根据与棉花纤维发育相关的cDNAs或ESTs设计了57条TRAP锚定引物，和SRAP的随机引物随机组合，其中93对引物组合共得到198个多态性位点，每个引物组合可产生1—7个不等的多态性位点，平均每个引物组合产生2.1个多态性位点。共显性标记有19个（9.6％），偏分离标记有45个（22.7％）。最终，有171个TRAP（86.4％）标记进入所构建的连锁图谱上，除了三个小的连锁群上没有TRAP标记外，其它连锁群上都有TRAP标记，主要分布在染色体c2、c4、c5、c6、c9、c10、c14、c20、A02、A03等染色体上。5．考查F2单株纤维产量及品质性状以及F2：3家系的产量(因为未收到足够的纤维，F2：3没能考察纤维品质性状)和早熟性状（包括果枝始节和各个生育期）。利用软件QTL Cartographer V2.0，用复合区间作图法进行QTL检测，当LOD=3.0时，共检测出79个QTLs：纤维品质性状25个QTLs，能解释8.69％（qFU-c6-1）到23.19％（qFL-c1-2）表型变异；产量性状共检测出36个；F2检测出16个QTLs，F3共检测出20个QTLs，每个性状有1到6个QTLs不等。早熟农艺性状共检测到18个QTLs。对于同一性状，等位基因的增效作用既有来自母本方的，也有来自父本方的，即高值或低值亲本都可能存在对性状增效的等位基因。6．与纤维品质QTLs相连锁的TRAP标记。8个TRAP标记分别和纤维长度、整齐度和马克隆值相关的QTLs连锁。有的TRAP标记和QTL紧密连锁，例如，染色体c1上的关于纤维长度的一个QTL（qFL-c1-2）和TRAP标记T16E2c紧密连锁（0.01cM内），TRAP标记T16E2c的T16是根据参与棉花纤维发育相关的一个β-微管蛋白基因GhTub1设计的锚定引物而来，而GhTub1基因可能在纤维细胞延伸阶段的极性延伸中具有功能；而有的位于QTL区间内。例如与纤维整齐度相关的QTL（qFU-c17-1），位于QTL的标记T9E10b-JESP195区间。T9是根据棉花纤维优势表达基因。GhCAP设计的，GhCAP基因是编码腺苷环化酶相关蛋白CAP，可能是细胞骨架改建中的信号。说明了利用TRAP标记不仅能增加图谱的饱和度，而且能增加目标QTL区域的标记饱和度，并且和性状相关联。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 前言
• 第一章 短季棉遗传多样性研究
• 1 文献综述
• 1.1 短季棉的概念及类型
• 1.2 短季棉育种进展及成效
• 1.3 早熟种质资源研究进展
• 1.3.1 核心种质资源
• 1.3.2 早熟种质
• 1.3.3 遗传多样性研究
• 1.4 研究目的和意义
• 2.材料方法与结果分析
• 2.1 材料方法
• 2.1.1 供试材料
• 2.1.2 棉花总DNA的抽提
• 2.1.3 RAPD分析
• 2.1.4 谱带的记录及数据分析
• 2.2 结果分析
• 2.2.1 RAPD多态性引物分析
• 2.2.2 品种间相似系数与品种的系谱比较
• 2.2.3 不同年代品种间平均相似系数比较
• 2.2.4 UPGMA聚类结果分析
• 3.讨论
• 3.1 金字棉是我国短季棉育种中主要早熟基因源
• 3.2 分子标记所揭示的遗传多样性与系谱相比较
• 第二章 棉花早熟性和纤维品质性状的QTL分析
• 1.文献综述
• 1.1 棉属的分类与进化
• 1.2 分子标记及其在棉花上的应用
• 1.2.1 分子标记的类型
• 1.2.2 新型分子标记
• 1.2.2.1 相关序列扩增多态性（Sequence-related Amplified Polymorphism,SRAP）
• 1.2.2.2 SSR和EST-SSR
• 1.2.2.3.靶位区域扩增多态性（Target Region Amplified Polymorphism TRAP）
• 1.2.2.4 cAFLP（cleaved AFLP analysis）
• 1.2.2.5 单链构象多态性（Single Strand Conformation Polymorphism,SSCP）
• 1.3 棉花的遗传图谱研究进展
• 1.4 棉花数量性状QTL定位
• 1.4.1 QTL定位的原理和方法
• 1.4.1.1 单标记分析法（Single marker analysis）
• 1.4.1.2 区间作图法（Interval Mapping,IM）
• 1.4.1.3 复合区间作图法（Compositive Interval Mapping,CIM）
• 1.4.1.4混合线性模型的复合区间作图法
• 1.4.2 QTL动态定位
• 1.4.3 QTL的精细定位
• 1.4.3.1 近等基因系
• 1.4.3.2 QTL精细定位的新途径—QIRs
• 1.4.4 数量性状的MAS（Maker assisted selection MAS）。
• 1.4.5 棉花QTL定位研究进展
• 1.4.5.1 早熟相关性状
• 1.4.5.2 产量相关性状
• 1.4.5.3 纤维品质性状
• 1.4.5.4 抗病性
• 1.4.5.5 形态学性状
• 1.4.5.6 生理性状
• 1.5 纤维发育相关基因的研究
• 1.6 研究的目的和内容
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料和群体构建
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 作图群体的构建
• 2.2 性状考察
• 2.2.1 农艺性状考察
• 2.2.2 形态性状的考察
• 2.3 标记基因型分析
• 2.3.1 DNA抽提
• 2.3.2 TRAP分析
• 2.3.3 SSR、SRAP、AFLP标记分析
• 2.3.4 数据整理与分析
• 2.3.4.1 带型记载及标记命名
• 2.3.4.2 连锁图谱分析
• 2.3.4.3 QTL定位
• 3 结果与分析
• 3.1 双亲和分离群体的数量性状的表现
• 3.2 性状相关性分析
• 3.2.1 产量性状的世代间相关分析
• 3.2.2 性状间相关性分析
• 2基因型分析'>3.3 多态性引物筛选及F₂基因型分析
• 3.4 偏分离标记检验
• 3.5 连锁分析及图谱构建
• 3.6 偏分离标记的分布
• 3.7 异源四倍体棉花的同源转化群（Homoeologies）
• 3.8 QTL定位结果
• 3.8.1 纤维品质性状QTL定位
• 3.8.2 和QTL连锁的TRAP标记
• 3.8.3 农艺性状的QTLs定位
• 3.8.3.1 产量相关性状的QTLs定位
• 3其它农艺性状QTL定位'>3.8.3.2 F₃其它农艺性状QTL定位
• 3.8.4 相同性状的QTL在不同世代的表达
• 3.8.5 不同性状的QTL在相同连锁群上的表达
• 4 讨论
• 4.1 新型标记TRAP
• 4.2 遗传连锁图
• 4.3 异源四倍体棉花连锁图谱的长度
• 4.4 偏分离标记分析
• 4.5 同源转化群（homoeologous pairs）
• 4.6 异源四倍体棉花染色体C3和C14之间的易位证据
• 4.7 棉花QTL定位
• 4.7.1 纤维品质性状QTL的分布
• 4.7.2 棉花QTL定位的一致性问题
• 4.8 利用海岛棉进行种间杂交育种
• 参考文献
• 致谢
• 研究生阶段发表的论文:
• 附录