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棉属遗传多样性与栽培棉种间杂交研究

吴玉香  
【摘要】: 棉属(gossypium)有51个种,其中46个为二倍体棉种(2n=2X=26),分属A、B、C、D、E、F、G和K等8个染色体组,其中5个为异源四倍体棉种(2n=4X=52,AD染色体组),其余为二倍体棉种。棉属中有四个栽培品种:亚洲棉(G.arboreum 2n=26,A_2)、草棉(G.herbaccum 2n=26,A_1)、陆地棉(G.hirsutum 2n=52,[AD]_1)和海岛棉(G.barbadense 2n=52,[AD]_2),其余47个均为野生棉。棉属栽培种和野生种是棉花遗传改良的重要资源,开展棉属不同染色体组棉种间的亲缘关系和遗传多样性研究,对于棉属系统发育和棉花遗传改良具有重要意义。棉属多倍体是研究多倍体基因组进化的良好材料,但是由于杂交和加倍后的多倍体进化历程和机理等原因,棉属异源四倍体种进化过程中的供体种也一直存在着争议。为此,研究棉属A、D染色体组和四倍体棉种的遗传亲缘关系,对于揭示异源四倍体棉种的供体种及其进化历程具有重要意义。本研究在研究棉属不同染色体组棉种的遗传亲缘关系和系统发育的同时,将四个栽培棉种进行杂交和染色体加倍,人工合成四元杂种,以获得综合四个亲本优良性状的棉花新种质,主要内容如下: 1.棉属遗传多态性的分子标记研究:用分子标记(SSR和RAPD)对棉属24个种进行了种质资源遗传多样性研究,并用棉属近缘植物杨叶肖槿为参考对照,从DNA分子水平上进行棉属亲缘关系和系统分类研究,并探讨两种标记对于棉属及近缘属物种遗传多样性研究的效果。结果表明,从40条RAPD引物和120对SSR引物中筛选出多态性高的引物分别为26条和49对。使用NTSYS-pc(Version 2.00)软件,采用Jaccard's相似系数UPGMA法进行聚类,获得的树状图表明材料之间存在较大的遗传多样性,其中RAPD的相似系数为0.69-0.96,SSR为0.57-0.97。对异源四倍体棉种与A和D染色体组棉种的遗传相似系数进行比较,表明异源四倍体棉种与A染色体组中的草棉和亚洲棉相似系数都较高;与雷蒙地氏棉(G.raimondii)的遗传相似系数显著高于与其它参试的D染色体组棉种。研究结果说明草棉和亚洲棉都为异源四倍体棉种可能的供体种,在四倍体棉种形成过程中草棉和亚洲棉起的作用是等比例的;而异源四倍体棉种的D染色体组供体种为雷蒙地氏棉。研究结果支持异源四倍体棉种单系统发育起源学说,A染色体组的草棉或亚洲棉与D染色体组的雷蒙地氏棉两者杂交和染色体加倍后形成原始的异源四倍体棉种,并随着地理和遗传的趋异而分化形成不同的四倍体棉种。两种分子标记聚类比较结果表明,SSR聚类结果更符合生物学分类结果,是研究棉属及近缘属物种遗传多样性比较有效的分子标记。 2.四倍体棉种系统进化的GISH分析:采用基因组原位杂交(GISH)技术,用推测的供体种(A基因组的草棉和亚洲棉,D基因组的雷蒙地氏棉)分别做探针和封阻,用D基因组的其它野生二倍体种克劳次基棉(G.klotzschianum)和戴维逊氏棉(G.davidsonii)做对照,用异源四倍体棉种陆地棉和海岛棉做靶染色体,对异源四倍体棉种进行供体种鉴定和基因组进化研究。结果表明,如果以草棉、亚洲棉和雷蒙地氏棉分别做探针和封阻,陆地棉或海岛棉做靶染色体,可以清晰的将四倍体棉种中的A,D染色体组区分开,观察到很强的26条红色杂交信号。同时,GISH也显示了部分染色体有红蓝两种颜色,说明异源四倍体陆地棉和海岛棉在形成后的进化过程中A和D染色体组间进行了交换和重组。研究结果还表明,用草棉和亚洲棉为探针,雷蒙地氏棉封阻,陆地棉或海岛棉做靶染色体,两者之间的杂交信号没有太大区别;而用克劳次基棉和戴维逊氏棉做探针,结果虽还可以观察到杂交信号,但信号较弱,红色信号染色体均不到26条。GISH研究结果为四倍体棉种的供体种及进化提供了最直观的证据,并验证了RAPD和SSR分子标记对于棉属四倍体棉种供体种的研究结果。 3.栽培棉种间杂交与四元杂种的SSR分子标记鉴定:将(亚洲棉×草棉)F_1进行染色体加倍,再与(陆地棉×海岛棉)F_1进行杂交,产生亚洲棉、草棉、陆地棉和海岛棉的四元杂种。对四个栽培棉种的种间四元杂种和四个亲本进行SSR分子标记分析,探讨SSR标记在棉属种间杂种鉴定中的可靠性。结果表明,45对SSR引物中具多态性的引物共30对,共检测到99条清晰的多态性带,平均每个SSR引物可检测到3.3个位点。四元杂种中亚洲棉特征带占20.8%,草棉特征带占22.2%,陆地棉特征带占15.3%,海岛棉特征带占13.9%,而四元杂种特有带占27.8%,表明四元杂种具有四个亲本的特征谱带,从分子水平上证明四元杂种具有四个亲本的遗传物质。此外,研究结果也表明伴随着人工杂交和加倍,四元杂种不同基因组之间进行了遗传物质的相互渐渗和转移,通过四个栽培棉种杂交,完全有可能选育出结合四个栽培棉种优良性状的棉花种质材料。 4.栽培棉种间四元杂种育性恢复机理研究:四元杂种F_1高度不育,对其进行了长达15年的嫁接保存,并对其花粉活力进行几年连续测定,并每年进行自交和回交,以研究活体保存对于种间杂种育性恢复的可能性;将保存15年的四元杂种PMC进行减数分裂观察,并与15年前减数分裂结果做比较,结合对四元杂种进行育性考察,从细胞水平探索该四元杂种育性恢复的机理。结果表明,四元杂种可育花粉率和弱生活力花粉率随着保存时间的延长在逐年增加,不育花粉率在逐年减少,并随着保存时间的延长能获得回交和自交种子。染色体组型分析结果表明,四元杂种PMC减数分裂中期的染色体构型为2n=52=4.92Ⅰ+14.62Ⅱ+2.29Ⅲ+1.56Ⅳ+0.71Ⅴ+0.19Ⅵ,而15年前该四元杂种的染色体构型为2n=52=8.4Ⅰ+8.1Ⅱ+5.7Ⅲ+1.9Ⅳ+0.6Ⅴ。长期活体保存使四元杂种PMC减数分裂中期的二价体数增加,单价体数减少,且多价体数也有明显减少。结果表明长期活体保存有利于协调来自不同亲本棉种间的生理生化代谢和不同染色体组之间关系,使其染色体构型趋于协调和平衡,育性逐渐得到改善和恢复。


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