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利用三亲本复合杂交群体构建陆地棉遗传连锁图谱与纤维品质QTL定位

张轲  
【摘要】:棉花(Gossypium spp.)是世界上最重要的天然纤维作物。棉属包括约45个二倍体种和5个异源四倍体种,其中栽培种4个,分别是亚洲棉(G. arboreum),草棉(G. herbaceum),陆地棉(G. hirsutum)和海岛棉(G. barbadense).陆地棉(G. hirsutum)提供了世界棉花总产量的95%以上。 但是,作为纺织工业的主要原材料,陆地棉(G. hirsutum)的纤维长度、比强度和细度等纤维品质性状,均比海岛棉(G. barbadense)差。尽管我国自主育成棉种的纤维品质能基本满足当前纺织工业生产的要求,但由于其长度过于单一、纤维比强度较低并且纤维较粗,不能达到高档纺织品的原料要求。随着人们生活水平的提高及棉纺织技术的革新,对棉花纤维品质的要求日益增高。在兼顾产量的同时,大幅、快速的改良纤维品质成为了棉花遗传改良的新焦点。 传统的遗传改良已经为我们育成了一批高产、优质的陆地棉品种。但是由于其选育周期长、效率低、并且棉花纤维品质和产量性状受数量性状基因控制且呈负相关关系,所以传统的遗传改良已经不能满足我们的需要。DNA分子标记技术的出现,为棉花的遗传改良提供了一种快速、准确的选择方法。通过对棉花高品质纤维QTL的分子标记筛选,利用与纤维品质QTL紧密连锁的分子标记进行辅助选择,能够有效的提高选择效率,有助于我国棉花品种的纤维品质水平的提高。目前,陆地棉种间(interspecific)图谱虽然较为饱和,但不能直接用于陆地棉栽培种的改良。而陆地棉种内(intraspecific)图谱的覆盖度及标记密度远达不到分子标记辅助选择和图位克隆的要求。现在以SSR标记为主的陆地棉种内图谱的最大覆盖度约为70%。 复合杂交群体是由三个或三个以上亲本杂交产生的群体,这类群体经常用于作物栽培品种的选育,通过表型选择累积有利的加性效应等位基因来达到对目的性状的改良。然而,目前大多数陆地棉遗传连锁分析和QTL定位都基于两亲本衍生出的群体,如:F2,BC和RIL等。利用两亲本群体进行连锁分析和QTL定位具有很大的局限性,因为早期陆地棉品种选育多通过种内品种间杂交选育品种,使得陆地棉的遗传背景变得十分狭窄,两亲本间的遗传差异较小,获得多态性标记较为困难,所以两亲本的陆地棉种内遗传连锁图谱都表现出较低的标记密度和覆盖度。并且使用两亲本群体进行QTL定位,所检测的到的QTL仅仅是该性状的部分遗传结构,大量的QTL信息都没有被检测到。同时,最多只有两个等位基因的效应能够被检测到,这也大大限制了两亲本遗传连锁图谱定位的QTL在分子标记辅助选择中的应用。而利用复合杂交群体进行连锁分析和QTL定位不仅可以增加遗传连锁图谱的密度,还可以检测到更多的QTL信息,从而定位的QTL在分子标记辅助育种有较好的应用。 目前,利用多亲本构建遗传连锁图谱和QTL定位的报道还较少,本研究旨在利用分子标记技术和多亲本分离群体,构建陆地棉种内高密度遗传连锁图谱,并分析陆地棉纤维品质相关性状的QTL位点。为达到这一目的,本研究用陆地棉丰产品种中棉所35、高纤维强度品种渝棉1号、以及异常棉(G. anomalum)渐渗系7235建立[(渝棉1号×中棉所35)×(渝棉1号×7235)]复合杂交群体及F1 2/3家系,利用多态性稳定的SSR标记构建复合杂交群体遗传连锁图谱,并结合F1(2007)群体和F12/3(2008、2009)家系表型数据对纤维长度、马克隆值、比强度、整齐度、伸长度5个纤维品质性状进行QTL检测,主要研究结果如下: 1.SSR标记多态性与群体基因型检测 利用本实验室的16052对SSR引物,对亲本渝棉1号、中棉所35和7235进行多态性引物筛选,共获得有效多态性引物1057对,多态性比例为6.6%。用1057对多态性SSR引物对陆地棉三亲本复合杂交群体[(渝棉1号×中棉所35)×(渝棉1号×7235)]172个单株进行基因型检测,共获得1067个位点。卡方测验结果显示,1067个标记位点中有375个偏离孟德尔分离比例(P0.05),偏分离比例35.19﹪。 2.三亲本复合杂交群体遗传连锁图谱 利用Joinmap4.0软件对1067个多态性位点进行遗传连锁分析,构建的遗传连锁图谱包含978个位点,标记间的平均距离为4.3 cM,遗传连锁图覆盖4184.4 cM,约占异源四倍体棉花基因组重组总长的94.1%。该图谱含69个连锁群,4个连锁群未定到染色体上,其余的65个连锁群被定位到26个染色体上,每个染色体含1-6个连锁群。A染色体亚组由32个连锁群组成,总长1954.3 cM,含366个多态性位点,标记间平均距离为5.3 cM;D染色体亚组由33个连锁群组成,总长2122.1 cM,含599个多态性位点,标记间平均距离为3.5 cM。 3.亲本与F,群体和F1:2/3家系的性状表现 2007、2008、2009年重庆三个环境下,亲本7235纤维长度分别为31.9、34.5、34.1 mm,高于渝棉1号的29.9、30.3、30.6 mm和中棉所35的29.3、30.2、31.4 mm。亲本7235和渝棉1号纤维比强度三年分别为38.1、34.2、41.3 cN/tex和38.6、36.2、41.3 cN/tex,高于中棉所35的33.5、30.7、34.9 cN/tex,其它纤维品质性状三亲本都比较接近。 F1群体纤维长度平均为31.2 mm,分布范围为28.2-34.4 mmm;整齐度平均为85.3%,分布范围为80.9-88.1%;马克隆值平均为4.2,分布范围为3.5-5.0;伸长度平均值为6.5%,分布范围为6.2-6.7%;比强度平均值为33.9 cN/tex,分布范围为29.2-39.7 cN/tex。F1:2家系纤维长度平均为31.9 mm,分布范围为28.4-34.8 mm;整齐度平均为85.4%,分布在81.6-87.5%之间;马克隆值平均为4.1,分布范围为3.1-5.2;伸长度平均值为6.6%,分布在6.3-6.8%之间;比强度平均值为34.0 cN/tex,分布在29.8-39.3 cN/tex之间。F13家系纤维长度分布在29.4-36.2 mm,平均32.0 mm;整齐度分布在82.3-87.4%,平均85.3%;马克隆值平均值为4.1,分布范围为3.1-5.1;比强度平均值为37.3 cN/tex,分布范围为31.6-43.9 cN/tex。除纤维伸长度外,其余各纤维品质性状在三个环境中都表现出超亲分离。 CP群体纤维品质性状的相关性分析结果显示,除纤维马克隆值与长度和比强度呈极显著负相关。其他性状间均成极显著正相关,相关系数从0.276-0.687。 方差分析结果显示,纤维马克隆值受基因型和环境影响均达到极显著;纤维整齐度和纤维伸长度受环境和基因型影响均不显著;纤维长度受环境影响显著,受基因型影响不显著;纤维比强度受环境影响极显著,受基因型影响显著。 4.纤维品质QTL定位 以三亲本复合杂交群体[(渝棉1号×中棉所35)×(渝棉1号×7235)]构建的遗传连锁图谱,结合2007-2009年重庆3个环境纤维品质表型数据,利用QTL作图软件MapQTL5.0,采用多QTL模型(multiple-QTL model)进行分析,共检测到63个纤维品质性状QTL,包括27个显著性QTL(1000次排列测,全基因组5%显著水平作为显著QTL的阀值),36个可能性QTL(LOD大于3.0小于5%显著水平阀值),解释性状表型变异8.1-55.8%。其中9个纤维伸长度显著性QTL,2个纤维伸长度可能性QTL,共计11个QTL,解释性状表型变异10.5-47.1%;2个纤维长度显著性QTL,14个纤维长度可能性QTL,共计16个QTL,解释性状表型变异8.6-55.8%;6个马克隆值显著性QTL,3个马克隆值可能性QTL,共计9个QTL,解释性状表型变异9.6-34.7%;6个纤维比强度显著性QTL,4个纤维比强度可能性QTL,共计10个QTL,解释性状表型变异8.1-32.6%;4个纤维整齐度显著性QTL,13个纤维比强度可能性QTL,共计17个QTL,解释性状表型变异12.1-50.5%。在所有QTL中,有11个QTL与前人研究结果一致,6个QTL可在两个环境中检测到,这些共同QTL和环境稳定QTL可用于分子标记辅助选择。 在检测到的63个纤维品质QTL中,渝棉1号等位基因在中棉所35遗传背景下增加纤维品质性状表型值的有36个,在7235遗传背景下增加纤维品质表型值的有28个。中棉所35贡献23个增加纤维品质的等位基因,7235贡献33个增加纤维品质的等位基因。


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