湘杂棉2号强优势组合杂种优势表现的遗传机理研究

论文摘要

棉花作为纤维的重要来源，是一种重要的经济作物，在世界经济中发挥着重要的作用。随着纺织工业的发展和社会需求的提高，选育并种植高产优质的棉花品种尤为重要。杂交棉能显著提高产量，适度改良品质、提高抗逆性，因而能创造显著的经济效益和社会效益。然而，由于缺乏强优势组合且F1代制种成本较高，棉花的杂种优势利用不如水稻和玉米那样广泛。一些研究表明棉花的F2代仍存在杂种优势可以利用，这就意味着制种成本可以大幅降低。因此，迫切需要研究棉花杂种优势的遗传机理以促进优良杂交棉的选育。本研究应用我国的高产棉花栽培品种中棉所12和8891的杂交组合湘杂棉2号为材料，构建了重组自交系（RILs）群体，通过两年两点重复试验结合分子标记技术对重要性状进行QTL定位，揭示其遗传基础；重组自交系互交配制永久性F2群体，进行两年试验，通过对重要性状的QTL定位揭示杂种优势的遗传机理；以湘杂棉2号及其两亲本不同生育期的叶片为材料，采用差异显示和DNA甲基化的检测方法探讨其杂种优势的分子机理。结果如下：1、重组自交系群体产量、品质和株型性状的QTL定位利用重组自交系群体SSR标记为主体的149个位点的资料构建遗传图谱，132个位点分布于26个染色体／连锁群，覆盖865.20cM，约占棉花基因组的18.57％。标记间平均距离6.55cM。重组自交系群体于2002、2003年分别种植于长江流域棉区的江浦和黄河流域棉区的灌云，考察了株型性状，产量及产量构成因子性状以及纤维品质性状。应用QTLCartographer 2.0的复合区间作图法，分别采用单环境资料（分离分析）和多环境平均值资料（联合分析）对性状进行QTL定位。对于产量及产量构成因子性状，分离分析检测到34个QTL，其中10个在联合分析中检测到；纤维品质性状在分离分析中共检测到48个QTL，其中16个同时在联合分析中检测到；株型性状共检测出16个QTL。衣分QTL qLP-A10-1可在联合分析及分离分析的两个环境下检测到；纤维长度QTL qFL-D2-1在分离分析的四个环境下均可检测出，解释的表型方差平均值达16.1％，且该QTL可同时在联合分析中检测到，表现出不依赖于环境的高度稳定性。利用基于混合线性模型的QTLMapper1.6结合多环境的性状资料分析了单位点QTL、上位性QTL以及QTL和环境的互作。所有产量及产量构成因子性状均检测到上位性QTL，总共检测到16对加性-加性互作（AA），涉及的位点中仅4个有单位点效应，这反映了上位性的复杂性及其对产量和产量构成因子性状的重要贡献。纤维品质性状中，纤维长度的互作效应累计解释21.8％的表型方差，甚至稍大于QTL的加性主效应（20.2％）。QTL与环境互作效应较小，仅解释0.8％的表型方差。其余纤维品质性状的检测到的互作效应较小。所有株型性状均检测到上位性QTL，涉及互作的位点绝大多数并无主效，而各性状检测的互作效应累计解释的表型方差从15.2％到51.1％。互作QTL比主效QTL更多，对株型性状作用更大。这也许能解释ZMS12和8891株型差异较大，但多态性分子标记位点却偏少的现象。综合产量、品质和株型性状的研究结果表明，QTL加性效应和上位性作为湘杂棉2号重组自交系的遗传基础起着重要作用。皮棉产量是由产量构成因子，即铃数、铃重和衣分决定的。综合各产量构成因素与产量性状的回归、相关及通径分析，表明单株铃数、铃重和衣分对产量均有正向贡献，其大小依次为单株铃数＞铃重＞衣分；这与产量构成因素性状在F1的杂种优势表现一致，因此在棉花育种上，可优先考虑单株铃数并结合其它产量构成因素进行品种选育和杂交组合选配。此外，由于QTL加性与环境的互作以及上位性与环境的互作，不同环境下预测的优良基因型可能会不同，因此在棉花育种上，需要根据特定的环境因子开展育种。2、永久性F2群体的QTL定位及杂种优势的机理研究本研究利用湘杂棉2号的180个重组自交系互交，构建了一套永久性F2群体；2004、2005两年种植于江浦并对产量、品质及株型性状进行了QTL定位。复合区间作图检测到的QTL中，产量及产量构成因子性状的2个QTL（包括衣分QTL qLP-A10-1），纤维品质性状的9个QTL（包括纤维长度QTL qFL-D2-1）在重组自交系群体中同时检测到，这些QTL表现出高度的稳定性，可能对标记辅助选择有重要意义。复合区间作图检测到的多数QTL表现部分显性；而对所定位QTL侧邻共显性标记的不同基因型对应的性状表现进行了比较结果表明：杂合子并不总表现出比纯合子更高的性状水平，杂合子表现超亲优势的标记比例仅为22.9％；考虑到假超显性的存在，则超显性实际所占的比例更低。表明显性效应比超显性效应对湘杂棉2号杂种优势贡献更大。相关分析表明，标记基因型的杂合度与性状表现及其杂种优势与相关均不显著（个别性状除外）。而且各性状均有重组自交系表现超过F1，进一步证明了这一结论。大部分性状均检测到上位性效应，且解释较大的表型方差。结合重组自交系群体的研究结果，推断显性效应和上位性效应是湘杂棉2号的主要遗传基础。3、湘杂棉2号及其亲本基因差异表达的研究杂交种的全部基因均来自其亲本，然而，杂种与亲本性状表现不同，能够产生杂种优势。由此可以推断，基因的表达情况不同，是导致杂种优势产生的重要原因。本研究以湘杂棉2号及其两亲本中棉所12和8891为材料，用差异显示（DDRT-PCR）的方法检测了它们在幼苗期、现蕾期和盛花期三个时期的基因差异表达。差异表达的模式可分为6种，即P1或P2单亲特异表达（UNP1／UNP2），杂种F1特异表达（UNF1），P1P2双亲特异表达（ABF1），P1F1或P2F1杂种与单亲表达一致型（DMP1／DMP2）。从三个时期各差异表达类型的累计次数分布看，其排列顺序依次为F1特异表达型（UNF1）＞P2F1杂种与单亲表达一致型（DMP2）＞P2单亲特异表达型（UNP2）＞P1F1杂种与单亲表达一致型（DMP1）＞P1单亲特异表达型（UNP1）＞P1P2双亲特异表达型（即F1表达沉默型，ABF1）。这与产量水平的高低顺序F1＞P2＞P1一致，暗示产量水平与差异表达高度相关，杂种优势可能与F1基因的特异表达有关。对差异表达的片段进行克隆测序，序列的BLASTn结果表明，差异表达的基因涉及光合作用、呼吸作用、信号转导和纤维发育等生理过程。部分序列的差异表达得到了RT-PCR的验证。4、湘杂棉2号及其亲本基因DNA甲基化的研究本研究采用基于AFLP的DNA甲基化检测方法检测了湘杂棉2号及其两亲本在三个时期的DNA甲基化水平。应用64个引物组合，共检测到139个甲基化位点。就某一个DNA样品而言，检测到的DNA甲基化状态可分为四种类型：1、双链内部胞嘧啶甲基化；2、单链的外部胞嘧啶甲基化；3、双链的外部胞嘧啶甲基化或双链的两个胞嘧啶都甲基化；4、甲基化程度的降低，即发生了去甲基化。检测结果表明，在四种甲基化状态中，以双链内部胞嘧啶甲基化比例最高，并且远大于其他三种类型；单链的外部胞嘧啶甲基化位居第二。F1与其两亲本相比，发生去甲基化的比例最高，表明F1比其双亲具有更低的甲基化水平。这与差异显示检测到的F1特异表达型比例最高相一致，暗示较低的甲基化水平和较高的基因表达水平可能有利于杂种优势的表达。DNA甲基化具有生育期特异性，随着生育期的推进逐步增加或逐步降低，或表现出起伏状态，这可从一定程度解释不同时期基因的差异表达。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 主要缩略词表
• 第一章 植物杂种优势机理的研究进展
• 1 杂种优势机理的假说
• 1.1 显性假说
• 1.2 超显性假说
• 1.3 上位性学说
• 1.4 染色体组-胞质基因互作模式
• 1.5 基因网络系统与杂种优势
• 2 杂种优势遗传基础的研究进展
• 2.1 数量性状遗传距离与杂种优势
• 2.2 同工酶遗传差异与杂种优势
• 2.3 分子标记遗传差异与杂种优势
• 2.3.1 基因组的杂合性与杂种优势
• 2.3.2 QTL效应与杂种优势
• 2.3.3 基因表达调控与杂种优势
• 3 杂种优势研究展望
• 第二章 数量性状基因定位研究进展
• 1 DNA分子标记技术的发展
• 2 作图群体的发展
• 3 QTL定位的方法
• 3.1 单标记分析法
• 3.2 区间作图法
• 3.3 复合区间作图法
• 3.4 多重区间作图法
• 4 作物QTL定位研究进展
• 5 QTL的精细定位及克隆
• 6 基于QTL定位的植物分子育种
• 7 棉花QTL定位研究及标记辅助育种进展
• 8 本研究的目的、意义和内容
• 第三章 湘杂棉2号重组自交系的遗传分析和重要性状的QTL定位
• 1 材料与方法
• 1.1 群体构建
• 1.2 田间种植
• 1.3 性状调查
• 1.3.1 株型性状
• 1.3.2 产量及产量构成因子性状
• 1.3.3 纤维品质的测定
• 1.4 DNA分子标记试验
• 1.5 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 群体分子标记基因型的分析和遗传图谱的构建
• 2.2 性状表现及遗传分析
• 2.2.1 产量及构成因素性状的表现和遗传分析
• 2.2.2 纤维品质性状的表现及相关分析
• 2.2.3 株型性状表现及其与产量、品质的相关
• 2.3 重组自交系群体性状的QTL定位
• 2.3.1 产量及产量构成因子性状的QTL定位
• 2.3.2 纤维品质性状的QTL定位
• 2.3.3 株型性状的QTL定位
• 3 讨论
• 3.1 陆地棉品种间DNA标记的低多态性
• 3.2 主效QTL的定位与标记辅助选择
• 3.3 上位性QTL及QTL与环境互作
• 3.4 高产棉花品种的选育
• 2群体的QTL定位及杂种优势机理的研究'>第四章 湘杂棉2号永久性F₂群体的QTL定位及杂种优势机理的研究
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 性状调查
• 1.3.1 株型
• 1.3.2 产量及产量构成因子性状
• 1.3.3 纤维品质的测定
• 1.4 数据分析和QTL定位
• 2 结果与分析
• 2.1 群体的表现
• 2.1.1 群体性状的表现
• 2群体各性状杂种优势的表现'>2.1.2 永久性F₂群体各性状杂种优势的表现
• 2.2 性状的遗传分析
• 2.2.1 产量、品质及株型性状间的相关分析
• 2.2.2 产量及产量构成因子性状的遗传分析
• 2.3 遗传图谱的构建
• 2.4 性状的QTL定位
• 2.4.1 复合区间作图法进行的单位点QTL定位
• 2.4.2 上位性QTL的检测
• 2.4.3 未连锁标记的单标记分析
• 2.5 标记杂合性与性状表现和杂种优势表现的关系
• 3 讨论
• 2群体的QTL定位效果'>3.1 永久性F₂群体的QTL定位效果
• 3.2 杂种优势机理的探讨
• 3.3 棉花杂种优势利用育种上的应用
• 第五章 湘杂棉2号及其亲本不同时期基因差异表达的研究
• 1 材料和方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验方法
• 1.2.1 总RNA的提取
• 1.2.2 总RNA中DNA的消化
• 1.2.3 mRNA反转录
• 1.2.4 PCR扩增
• 1.2.5 变性聚丙烯酰胺凝胶电泳
• 1.2.6 差异片段的回收
• 1.2.7 差异片段的重扩增与回收
• 1.2.8 cDNA差异条带的分子克隆
• 1.2.9 序列的相似性比较分析
• 1.2.10 RT-PCR
• 2 结果与分析
• 2.1 差异显示
• 2.2 克隆测序及BLAST结果
• 2.3 RT-PCR结果
• 2.4 阳性克隆BLAST结果
• 3 讨论
• 第六章 湘杂棉2号及其亲本的DNA甲基化研究
• 1 材料和方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 试验方法
• 1.2.1 DNA提取
• 1.2.2 RNA消化
• 1.2.3 接头和引物的准备
• 1.2.4 酶切
• 1.2.5 连接
• 1.2.6 预扩增
• 1.2.7 选择性扩增
• 1.2.8 聚丙烯酰胺变性胶电泳
• 2 结果分析与讨论
• 2.1 各种甲基化状态的次数及其分布比例
• 2.2 湘杂棉2号及其亲本DNA甲基化的差异
• 2.3 湘杂棉2号及其亲本DNA甲基化的生育期差异
• 2.4 部分DNA甲基化差异片段的克隆测序
• 全文结论
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文
• 致谢