沈 超 李定國 聶以春 林忠旭,*

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利用黃褐棉染色體片段導(dǎo)入系定位產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀QTL

沈 超1李定國2聶以春1林忠旭1,*

1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢 430070;2長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 湖北荊州 434025

陸地棉的遺傳基礎(chǔ)狹窄, 阻礙了棉花的遺傳改良進(jìn)程。為有效拓寬陸地棉的遺傳基礎(chǔ), 本試驗(yàn)利用野生種黃褐棉(AD4)為供體親本, 以綜合性狀優(yōu)良的B0011品系為受體親本(國審棉華雜棉H318的親本之一), 構(gòu)建了含71個株系的導(dǎo)入系BC5S5群體?；赟LAF-seq的基因分型和多年多點(diǎn)田間試驗(yàn)的綜合分析表明, 該導(dǎo)入系在產(chǎn)量和纖維性狀方面具有很大的變異, 共檢測到48個QTL, 其中包含19個產(chǎn)量和29個纖維構(gòu)成因素相關(guān)的QTL。在At亞組檢測到9個性狀的32個QTL, 在Dt亞組為16個。進(jìn)一步對QTL加性效應(yīng)方向分析顯示, 其中有30個QTL的加性效應(yīng)為正, 18個QTL的加性效應(yīng)為負(fù)。本研究結(jié)果為利用黃褐棉重要農(nóng)藝性狀有利等位基因改良陸地棉產(chǎn)量和品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

陸地棉; 黃褐棉; 導(dǎo)入系; 產(chǎn)量; 纖維品質(zhì); QTL; 加性效應(yīng)

異源四倍體棉花有5個種, 栽培種主要有陸地棉和海島棉, 其余3個為野生種[1], 其中陸地棉的產(chǎn)量占世界棉花產(chǎn)量的95%以上[2]。然而, 陸地棉的遺傳多樣性低, 且遺傳基礎(chǔ)狹窄, 這成為陸地棉改良的主要限制因素[3]。因此, 利用野生棉資源對拓寬陸地棉的遺傳多樣性具有重要的潛在育種價值。

棉花的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀,受多基因控制[4]。它們的表型受基因與環(huán)境共同調(diào)控, 且它們之間往往存在顯著負(fù)相關(guān)[5]。通常, QTL定位是基于F2/F2:3、BC1、DH、RIL等分離群體[6-7]; 然而, 這些群體的遺傳背景比較復(fù)雜, 加之?dāng)?shù)量性狀本身的復(fù)雜性, 且QTL定位還易受非目標(biāo)QTL的干擾, 嚴(yán)重制約了對目標(biāo)性狀的精細(xì)解析。導(dǎo)入系是QTL精細(xì)定位和復(fù)雜農(nóng)藝性狀解析的理想材料, 能克服種間雜交分離群體對基因漸滲的影響。導(dǎo)入系是通過雜交、回交、分子標(biāo)記輔助選擇等方法構(gòu)建的能夠覆蓋整個作物基因組的一系列近等基因系,其整個遺傳背景只含有供體親本的一個或幾個染色體片段, 其它部分則與輪回親本完全相同, 能夠消除遺傳背景的噪音, 預(yù)測到那些在F2或者RIL等初級群體中被掩蓋的QTL[8]。目前, 在不同的作物中都已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究, 例如番茄[9]、玉米[10]、水稻[11-12]、大豆[13]、大麥[14]、油菜[6,15]、棉花[4,16-21]等。

目前, 棉花導(dǎo)入系的構(gòu)建主要利用海島棉和陸地棉的種間雜交[4,16-21]。Wang等[16]構(gòu)建了以陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為背景的海島棉海7124的導(dǎo)入系。朱亞娟等[17]利用陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為背景的海島棉海7124的導(dǎo)入系的2個家系IL-15-5和IL-15-5-1構(gòu)建了F2和F2:3分離群體, 定位了衣分和籽指等與產(chǎn)量相關(guān)的QTL。王鵬等[18]同樣利用陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為背景的海島棉海7124的導(dǎo)入系檢測到與光合色素相關(guān)的QTL, 解析了光合色素含量的遺傳基礎(chǔ)。付央等[19]用陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為背景的海島棉3-79的家系Sub18為供體親本, 以TM-1為受體親本, 培育了海島棉3-79第18染色體片段導(dǎo)入系,并利用這個特定的染色體片段導(dǎo)入系檢測了12個產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀相關(guān)的QTLs。最近, 王云鵬等[4]創(chuàng)制了以陸地棉中棉所8號為背景的海島棉Piam 90-53的導(dǎo)入系。黎波濤等[20]以早熟陸地棉中棉所36為受體親本, 海島棉海1為供體親本構(gòu)建導(dǎo)入系群體, 篩選82個株系, 采用株系間隨機(jī)成對雜交組配F1, 并在多個環(huán)境下分析發(fā)現(xiàn), 導(dǎo)入系及F1的變異豐富, 部分親本與 F1的皮棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)在多個環(huán)境下得到同步提高。Si等[21]構(gòu)建了一個以海島棉Xinhai 25為背景, 導(dǎo)入陸地棉TM-1片段的導(dǎo)入系群體, 為我們提供了新的參考。

然而, 除海島棉外, 利用棉花其他的野生資源相對較少。黃褐棉在3個異源四倍體野生棉中, 其親緣關(guān)系距離陸地棉最遠(yuǎn)[1], 因此, 最有可能存在新的有利基因位點(diǎn)用于陸地棉的改良。肖松華等[22]研究顯示, 黃褐棉漸滲陸地棉株系不僅對棉花黃萎病達(dá)到抗性水平, 而且在棉花纖維品質(zhì)方面也存在著豐富的遺傳變異。汪保華等[23]研究表明, 3個黃褐棉與陸地棉構(gòu)建的近等基因系的纖維強(qiáng)度與細(xì)度表現(xiàn)十分突出。

為利用野生棉種質(zhì)資源拓寬陸地棉遺傳多樣性, 本研究以綜合性狀優(yōu)良的B0011品系為受體親本, 以野生種黃褐棉為供體親本, 構(gòu)建以陸地棉為背景, 含有黃褐棉不同片段長度的導(dǎo)入系群體, 進(jìn)行棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)相關(guān)性狀的QTL定位, 希望通過黃褐棉與陸地棉之間的基因漸滲轉(zhuǎn)移, 拓寬陸地棉的遺傳基礎(chǔ), 為以后的棉花品種遺傳改良奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

輪回親本B0011是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的常規(guī)棉花品系, 其綜合性狀好, 是華雜棉H318的親本之一[24]。供體親本黃褐棉, 具有纖維品質(zhì)優(yōu)良, 抗黃萎病和抗蟲等特性[22,25]。以B0011為母本與雜交產(chǎn)生F1, 以B0011為輪回親本回交5次, 通過單籽傳法, 獲得71個BC5株系; 用獲得的株系通過單籽傳法連續(xù)自交5代, 最后得到含有71個株系的BC5S5導(dǎo)入系群體。

1.2 基因組DNA的制備和SLAF-seq

選取幼嫩的葉片, 用液氮速凍, 存于–70℃冰箱備用。然后, 用Plant Genomic DNA Kit (TIANGEN Biotech, Beijing, China)試劑盒提取基因組DNA, 并用NanoDrop 2000C Spectrophotometer (Thermo Scientific, USA)和瓊脂糖凝膠電泳檢測, 以保證滿足建庫要求。之后, 進(jìn)行SLAF-seq的建庫、測序、標(biāo)簽分析以及SNP鑒定[26-27]。親本測序深度20×以上, 子代測序深度5×以上。

1.3 田間種植和性狀調(diào)查

2015年在湖北省黃岡市(E1)和荊州市(E2)及2016年在湖北省荊州市(E3)和鄂州市(被洪水毀壞)種植71個導(dǎo)入系家系。種植地點(diǎn)分別為湖北省黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田和長江大學(xué)試驗(yàn)田。每年每點(diǎn)2次重復(fù), 并且按照隨機(jī)區(qū)組種植。單行小區(qū)每行長5.0 m, 寬0.8 m, 種植10株。人工摘取每個家系中部20朵棉花進(jìn)行產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的考種[28]。產(chǎn)量性狀包括單鈴籽棉重(SCW)、單鈴皮棉重(LW)、衣分(LP); 纖維品質(zhì)性狀包括: 纖維長度(FL)、整齊度(FU)、馬克隆值(MIC)、伸長率(FE)、比強(qiáng)度(FS)、短纖維率(SF)。

1.4 數(shù)據(jù)的分析和QTL定位

用SPSS 17.0 (SPSS, Chicago, Illinois, America)軟件分析群體平均數(shù)等特征數(shù)據(jù)。基于一個線性模型[29], 用最佳無偏向性預(yù)測(The best linear unbiased prediction, BLUP, http://www.eXtension.org/pages/61006)評估每個株系在這3個環(huán)境中的表型值。以Wang等[30]的遺傳圖譜為參照, 將標(biāo)記序列用BLASTN的方法比對到參考基因組[31], 閾值為E≤1e?5, 選取最佳匹配且與遺傳圖譜順序一致的標(biāo)記。之后, 將在2個標(biāo)記之間大于等于3個SNP的片段定義為導(dǎo)入片段, 并分析其在各染色體及基因組的分布情況。

由于本研究群體是非標(biāo)準(zhǔn)單片段導(dǎo)入系, 故不能用以往的檢驗(yàn)來定位QTL。然而, Wang等[32-33]提出了一種可以檢測多片段導(dǎo)入系QTL方法。它是基于逐步回歸的極大似然估計(jì)算法(RSTEP-LRT), 采用逐步回歸分析選擇對目標(biāo)性狀最重要的片段或標(biāo)記, 然后通過似然比檢驗(yàn)來計(jì)算每個染色體片段或標(biāo)記的LOD值。對于理想的導(dǎo)入系而言, 它在統(tǒng)計(jì)學(xué)上與標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)是等效的。利用QTL IciMapping 4.1 (http://www.isbreeding.net/)軟件[32]檢測產(chǎn)量和纖維品質(zhì)相關(guān)的加性效應(yīng)QTL。根據(jù)QTL IciMapping 4.1[33]軟件, 對SNP進(jìn)行基因分型, 將與受體親本B0011相同的基因型記為“0”, 與供體親本黃褐棉相同的基因型記為“2”, 進(jìn)行QTL定位。以LOD≥3為閾值判斷其是否存在加性效應(yīng)的QTL。參照McCouch等[34]的規(guī)則命名QTL。參考Wang等[35]的染色體示意圖(著絲粒區(qū)域)。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本和群體的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀在多個環(huán)境中的表現(xiàn)

根據(jù)偏度絕對值小于1, 認(rèn)為該性狀群體符合正態(tài)分布。從表1可知, 除了SCW和LW在E1, LW和LP在E2, FU在E3外, 其他所有性狀均呈現(xiàn)連續(xù)分布, 群體符合正態(tài)分布, 并且, 各性狀在不同的環(huán)境中均表現(xiàn)出差異。由圖1可知, 產(chǎn)量和纖維性狀在多個環(huán)境中的BLUP值均表現(xiàn)為相對連續(xù)的正態(tài)分布, 并且分離變異較大。

SCW: seed cotton weight per boll; LW: lint weight per boll; LP: lint percentage; MIC: micronaire; FL: fiber length; FU: fiber unifor-mity; SF: short fiber; FS: fiber strength; FE: fiber elongation; Env.: environment; Min.: minimum value; Max.: maximum value; Mean: mean value; SD: standard deviation.

圖1 產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀在多個環(huán)境中BLUP的頻率分布

方差分析(表2)表明, 除纖維整齊度(FU)與短纖維率(SF)的基因×環(huán)境的互作效應(yīng)沒有達(dá)到顯著水平外, 其他性狀都受到基因型、環(huán)境效應(yīng)以及基因×環(huán)境的互作效應(yīng)的強(qiáng)烈影響, 其值都達(dá)到了極顯著水平, 對性狀的影響為環(huán)境效應(yīng)>基因型>基因×環(huán)境的互作效應(yīng), 顯示性狀的差異主要是由不同年份和不同種植環(huán)境造成的。

2.2 產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性分析

從圖2可知, 單鈴籽棉與單鈴皮棉呈正相關(guān)。單鈴皮棉與衣分、馬克隆值、伸長率呈正相關(guān), 與纖維長度、比強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。衣分與馬克隆值、伸長率呈正相關(guān), 與纖維長度、比強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。馬克隆值與比強(qiáng)度呈正相關(guān); 與纖維長度呈負(fù)相關(guān)。纖維長度與纖維整齊度、比強(qiáng)度呈正相關(guān), 與短纖維率、伸長率呈負(fù)相關(guān)。纖維整齊度與比強(qiáng)度呈正相關(guān), 與短纖維率呈負(fù)相關(guān)。纖維比強(qiáng)度與短纖維率呈負(fù)相關(guān)。

2.3 基于SNP標(biāo)記的導(dǎo)入片段分布

通過SLAF-seq測序, 在BH導(dǎo)入系群體中總共發(fā)現(xiàn)了2839個SNP, 不均勻地分布在各個染色體上, 染色體A13上含有的SNP最多, 為393個, 而染色體D03最少, 僅有19個(圖3)。對于各株系而言, 也呈現(xiàn)不均勻分布, 其中BH2系含有的SNP最多, 為646個; 而BH65系僅有96個(圖4)。對BH群體的71個株系的基因型分型發(fā)現(xiàn), 在At亞組的A02、A06、A09、A12和A13染色體上及Dt亞組的D04、D06、D12和D13染色體上, 不同的家系間存在相同的導(dǎo)入片段, 尤其在A13和D06染色體最多(圖5)。

表2 產(chǎn)量和纖維性狀的不同環(huán)境間的雙向方差分析

*表示0.05水平差異顯著;**表示0.01水平差異顯著;***表示0.001水平差異顯著。

SCW: seed cotton weight per boll; LW: lint weight per boll; LP: lint percentage; MIC: micronaire; FL: fiber length; FU: fiber uniformity; SF: short fiber; FS: fiber strength; FE: fiber elongation.*Correlation is significant at the 0.05 probability level;**Correlation is significant at the 0.01 probability level;***Correlation is significant at the 0.001 probability level.

通過將測序的SNP標(biāo)記與遺傳圖譜比較分析, 發(fā)現(xiàn)在本群體中導(dǎo)入片段的總長度為2030.0 cM, 其中A亞組和D亞組分別為1093.7 cM和936.5 cM, 導(dǎo)入片段所占的比率分別是40.0%和32.7%。A11染色體的導(dǎo)入片段的長度最短, 為31.6 cM, 而A06染色體的導(dǎo)入片段長度最長, 為137.8 cM。導(dǎo)入片段在基因組的覆蓋率從A11的11.9%到A13的99.9%。其中在A02、A06、A10、A12、A13、D07和D10染色體上的導(dǎo)入片段覆蓋率大于50%, 而A11, D05和D09染色體的導(dǎo)入片段覆蓋率小于20%, 整個基因組的導(dǎo)入片段的平均覆蓋率為36.3% (表3)。

圖2 產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀間的Pearson’s相關(guān)系數(shù)

*表示0.05水平差異顯著;**表示0.01水平差異顯著。

*Correlation is significant at the 0.05 probability level;**Correlation is significant at the 0.01 probability level. SCW: seed cotton weight per boll; LW: lint weight per boll; LP: lint percentage; MIC: micronaire; FL: fiber length; FU: fiber uniformity; SF: short fiber; FS: fiber strength; FE: fiber elongation.

圖3 SNP在每條染色體上的的分布

圖4 SNP在71個株系中的分布

圖5 71個株系的圖示基因型(灰色為B0011, 紅色為黃褐棉)

2.4 產(chǎn)量和纖維品質(zhì)相關(guān)性狀的加性QTL定位

用QTL IciMapping 4.1軟件總共檢測到48個QTL, 分布在除A04、A11、D01、D06和D13以外的21條染色體上, 在A08染色體上檢測到的QTL最多, 均為6個; 其次是在A05、A09、D05為5個, 而在A03、A06、D02、D03、D04、D07、D08、D09、D11和D12染色體上檢測到的QTL最少, 均為1個, 這其中包含19個與產(chǎn)量和29個與纖維品質(zhì)相關(guān)的QTL (表4、表5和圖6)。沒有檢測到纖維長度(FL) QTL。在A05染色體上的22.06 Mb位點(diǎn)同時檢測到分別與單鈴籽棉()和單鈴皮棉()相關(guān)的2個QTL, 在35.08 Mb位點(diǎn)也同時檢測到分別與單鈴籽棉()和單鈴皮棉()相關(guān)的2個QTL (圖6-A)。

2.4.1 產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL 對單鈴籽棉重(SCW)來說, 共檢測到3個QTL, 分布在2條染色體上(A01, A05), 解釋表型變異11.70%~31.00%, LOD值為3.06~5.63, 加性效應(yīng)值為–0.46~1.45 (表4、圖6-A和圖7-A); 而對單鈴皮棉重(LW), 檢測到4個位點(diǎn), 主要分布在3條染色體上(A05、A09和D06), 解釋表型變異13.85%~29.10%, LOD值為3.21~5.00, 加性效應(yīng)值為–0.30~0.53 (表4、圖6-A和圖7-A); 對衣分(LP), 則檢測到12個QTL, 主要分布在10條染色體上(A01、A05、A06、A08、A09、A10、A13、D03、D04和D06), 解釋表型變異6.70%~28.04%, LOD值為3.05~7.66, 加性效應(yīng)值為–3.33~3.29 (表4、圖6-A和圖7-A)。

表3 導(dǎo)入系群體中導(dǎo)入片段的基因組覆蓋率

aThe length of genetic distance in Wang et al.[30]bThe sum of length of introgressed segments distributed on the chromosome.cPercentage of genome coverage = c/a × 100%.

表4 產(chǎn)量性狀的QTL相關(guān)信息

(續(xù)表4)

性狀Trait環(huán)境Environment染色體Chromosome位置Loci (Mb)QTLLOD貢獻(xiàn)值PVE (%)加性效應(yīng)值A(chǔ)EV 衣分 LPE1A063.75qLP-A063.419.27–2.90 E1A1085.71qLP-A107.6624.33–2.47 E1A1344.33qLP-A133.9410.931.65 E1D0441.39qLP-D043.8110.50–1.42 E2A0533.33qLP-A055.3819.45–3.33 E2A0885.08qLP-A08-17.2528.043.29 E3A0880.59qLP-A08-23.056.70–1.87 E3A0919.69qLP-A097.0817.842.35 E3D0342.67qLP-D033.146.911.90 E3D0644.59qLP-D06-14.8011.18–1.33 E3D0654.78qLP-D06-26.1715.051.46 E3A014.81qLP-A014.069.22–2.51

SCW: seed cotton weight per boll; LW: lint weight per boll; LP: lint percentage; PVE: phenotypic variation explained by a single QTL; AEV: additive effect value.

表5 纖維性狀的QTL相關(guān)信息

FU: fiber uniformity; MIC: micronaire; FE: fiber elongation; FS: fiber strength; SF: short fiber; PVE: phenotypic variation explained by a single QTL; AEV: additive effect value.

圖6 產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的QTL在染色體上的分布示意圖

圖7 產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的QTL在染色體上的加性效應(yīng)

2.4.2 纖維品質(zhì)相關(guān)性狀QTL 檢測到5個纖維整齊度(FU) QTL, 分布在4條染色體上(A08、A09、A12、D02), 解釋表型變異7.20%~27.46%, LOD值4.34~12.30, 加性效應(yīng)值為–0.33~1.19 (表5、圖6和圖7-B)。檢測到3個馬克隆值(MIC) QTL, 分布在3條染色體上(A08、A10、D06), 解釋表型變異14.57%~20.18%, LOD值3.22~4.61, 加性效應(yīng)值為0.26~0.35 (表5、圖6和圖7-B)。檢測到2個纖維伸長率(FE) QTL, 分布在2條染色體上(A10、A13), 解釋表型變異13.93%~19.84%, LOD值3.43~4.68, 加性效應(yīng)值為–0.84~ –0.51 (表5、圖6-A和圖7-B)。檢測到14個纖維比強(qiáng)度(FS) QTL, 分布在11條染色體上(A02、A03、A07、A09、A13、D06、D07、D09、D10、D11和D12), 解釋表型變異3.76%~21.65%, LOD值3.14~10.82, 加性效應(yīng)值為–3.48~4.23 (表5、圖6和圖7-B)。檢測到5個短纖維率(SF) QTL, 分布在4條染色體上(A07、A08、A12、D08), 解釋表型變異13.70%~22.33%, LOD值3.12~4.78, 加性效應(yīng)值為–0.66~2.90 (表5、圖6和圖7-B)。

3 討論

關(guān)于棉花農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、抗性性狀的QTL定位已經(jīng)有許多研究, 但是, 在育種中很少能夠被用來進(jìn)行品種的遺傳改良。一個重要的原因是幾乎所有的QTL都是在早期的分離群體被檢測到, 使有利QTL的導(dǎo)入變得復(fù)雜[6]。而導(dǎo)入系則為QTL定位提供了一個很好的平臺。目前, 在棉花中已經(jīng)構(gòu)建了一些導(dǎo)入系群體被用于QTL分析[4,16-21]。然而, 這些研究都是基于海島棉和陸地棉構(gòu)建導(dǎo)入系群體。對于野生棉, 尤其是黃褐棉的研究利用的報(bào)道較少。

黃褐棉原產(chǎn)于巴西, 在5個四倍體棉種中親緣關(guān)系距陸地棉最遠(yuǎn), 且具有纖維品質(zhì)優(yōu)良, 綜合抗性好等特點(diǎn)[1,22,25], 因此, 引入黃褐棉優(yōu)質(zhì)的抗病基因?qū)﹃懙孛薜倪z傳改良產(chǎn)生極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。這將會有助于提高陸地棉纖維品質(zhì)及黃萎病的抗性, 從而提高陸地棉的產(chǎn)量及其綜合特性。

通過對導(dǎo)入系BH群體進(jìn)行SLAF-seq[26], 并過濾掉不在染色體上的SNP, 得到2839個SNPs, 發(fā)現(xiàn)SNPs在染色體和家系間均呈現(xiàn)不均勻的分布。通過對BH群體導(dǎo)入片段分析可以看出, 在A13和D06染色體上不同家系間大都導(dǎo)入了相同的片段, 這可能與其對環(huán)境的綜合適應(yīng)能力有關(guān)。此外, 在分析BC5家系的供體親本基因型占全基因組的比例中發(fā)現(xiàn), 最大的為3.47%, 最小的為0, 平均為0.51%, 明顯低于理論比例值3.13%。與王鵬等[36]的研究相比略低, 可能是我們以遺傳圖譜為參照時僅選取最佳匹配且與遺傳圖譜順序一致的標(biāo)記, 致使圖譜上標(biāo)記數(shù)目減少, 而SNP再與這些最佳的標(biāo)記相比即導(dǎo)致滲入比率偏低。

本研究對黃褐棉和陸地棉染色體片段導(dǎo)入系群體的3個產(chǎn)量和6個纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行了遺傳分析。通過對各性狀多個環(huán)境的BLUP值分析來看, 各性狀均為相對連續(xù)的正態(tài)分布, 且分離變異程度較大。進(jìn)一步通過對各性狀多個環(huán)境的方差分析發(fā)現(xiàn), 除了纖維整齊度和短纖維率沒有顯著地受到基因型與環(huán)境互作影響外, 其他所有性狀都受到基因型, 環(huán)境, 基因型與環(huán)境互作三者極顯著的影響。環(huán)境的影響效應(yīng)大于環(huán)境與基因型的互作, 說明環(huán)境的差異是導(dǎo)致表型變異的主要來源, 也進(jìn)一步說明環(huán)境效應(yīng)在QTL定位中起著極其重要的作用。通過QTL定位我們發(fā)現(xiàn), 在相同位點(diǎn)檢測到與不同性狀相關(guān)的QTL, 這可能是導(dǎo)致QTL聚集與連鎖累贅的原因[28]。

已有研究顯示[5,7,37-38], 相對于At亞組, QTL多在Dt亞組富集。然而, 通過對本研究檢測到的QTL分析發(fā)現(xiàn), 與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL, 在At亞組分布的數(shù)目比Dt亞組上多, 在At亞組上A05染色體上QTL數(shù)目較多, 在Dt亞組上D06染色體上的QTL數(shù)目最多; 而與纖維性狀相關(guān)的QTL, 在At亞組上分布的數(shù)量多于Dt亞組, 在At亞組上A08染色體上QTL數(shù)目較多, 在Dt亞組上D10染色體上的QTL數(shù)目較多。最近, Si等[20]對海島棉為背景導(dǎo)入系定位的39個QTL分析發(fā)現(xiàn), 在At亞組上比Dt亞組具有更多QTL。說明不同的群體, 不同的標(biāo)記方法, 不同的背景可能導(dǎo)致QTL在2個亞組間的分布不同。通過分別與Si等[20]和Wang等[30]的定位的QTL比較發(fā)現(xiàn), 在A10染色體都定位到關(guān)于纖維伸長率的QTL, 然而其物理位置不同。Si等[20]定位的QTL為(NAU5323, 97.86 Mb), Wang等[30]定位的QTL為(JESPR6-BNL1161, 67.02~75.68 Mb), 我們定位的QTL為(88.40 Mb), 說明A10染色體這段區(qū)間對纖維的伸長率有很大的貢獻(xiàn)。而在A09上(20.12 Mb)和(19.69 Mb)與Zhang等[39]定位鈴重, 衣分相關(guān)QTL的位置(Gh27, 20.23 Mb)很近。對QTL加性效應(yīng)方向分析發(fā)現(xiàn), 在產(chǎn)量性狀方面, 有11個QTL的加性效應(yīng)方向?yàn)檎? 有8個QTL的加性效應(yīng)方向?yàn)樨?fù); 在纖維性狀方面, 有19個QTL的加性效應(yīng)方向?yàn)檎? 有10個QTL的加性效應(yīng)方向?yàn)樨?fù), 這表明, 黃褐棉不同的導(dǎo)入片段產(chǎn)生的效應(yīng)不同。進(jìn)一步利用“CSIL+F2”方法, 將更容易精細(xì)定位和克隆[17,40]這些含有具體性狀特征的QTL。

4 結(jié)論

構(gòu)建了含有71家系的以陸地棉為背景的黃褐棉染色體片段導(dǎo)入系群體, 克服了黃褐棉與陸地棉種間雜交不育, 連鎖累贅等問題, 實(shí)現(xiàn)了將黃褐棉的優(yōu)異基因引入到陸地棉的育種目標(biāo)。本研究定位的產(chǎn)量和纖維性狀相關(guān)的48個QTL將為棉花的育種提供重要的基礎(chǔ)材料。

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QTL Mapping for Yield and Fiber Quality Traits UsingChromosome Segment Introgression Lines

SHEN Chao1, LI Ding-Guo2, NIE Yi-Chun1, and LIN Zhong-Xu1,*

1National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;2College of Agronomy, Yangtze University, Jingzhou 434025, China

The genetic basis of upland cotton is narrow, which hinders the progress of genetic improvement of cotton. To effectively broaden the genetic basis of upland cotton, we developed BC5S5chromosome segment substitution lines (CSSLs) population consisting of 71 CSSLs, which was derived from the, the wild cotton (AD4) as the donor, and B0011, one parent of national authorized cotton variety Huazamian H318 with good comprehensive characters of upland cotton line (AD1) as the receptor. A comprehensive analysis was conducted via the SLAF-seq genotyping and phenotyping under multiple environments. This population showed a wide range of variation in yield components and fiber quality, and a total of 48 QTLs were detected including 19 for yield components and 29 for fiber quality. Among the QTLs for nine traits, 32 and 16 were on the At and Dt sub-genomes, respectively. Further analysis revealed that 30 QTLs showed positive additive effects, and 18 QTLs showed negative additive effects. The results of this study lay a foundation for the genetic improvement of upland cotton using the elite alleles of important agronomic traits from.

Upland cotton;; CSILs; Yield; Fiber quality; QTL; Additive effect

10.3724/SP.J.1006.2017.01733

本研究由國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(xiàng)(2016ZX08009001)資助。

The study was supported by the National Major Project for Developing New GM Crops (2016ZX08009001).

林忠旭, E-mail: linzhongxu@mail.hzau.edu.cn

2017-04-17; Accepted(接受日期): 2017-09-10; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-09-28.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170928.1842.026.html