达尔文氏棉和海岛棉遗传多样性及纤维品质转录组分析

摘要

棉花是被称作“白色黄金”的天然纤维作物，广泛分布在亚热带到热带地区。优良种质资源是棉花遗传育种和机理研究重要材料，揭示其机理有利于新品种选育。本研究利用分子标记评价了132份新收集棉花种质材料的遗传多样。材料包括新发现的二倍体克劳茨基棉和异源四倍体棉（海岛棉、达尔文氏棉、毛棉、艾克曼棉和斯蒂芬氏棉），它们分别收集自厄瓜多尔加勒帕格斯群岛、多米尼亚共和国、美国夏威夷和威克环礁群岛等地区。基于111个表达序列标签(EST)和基因组简单重复序列(gSSR)标记，检测出382个多态性位点，平均每个SSR标记检测到3.44个多态性位点。多态性信息含量值变幅从0.08到0.82，平均为0.56。在收集到的野生棉种，遗传距离变幅从0.03到0.53，平均为0.33。采用STRUCTURE和主成分分析进行系统进化分析得到材料亚组分类结果是一致的。在供试材料中共观察到123个特有等位基因。有31个特有等位基因仅仅在艾克曼棉种被鉴定到。通过structure进行的方差分析表明总变异的49％为6个分组间的显著差异，总变异的51％为组内差异。来自于夏威夷群岛和加勒帕格斯群岛的圣克鲁兹岛的四倍体材料的遗传差异最大，FST值为0.752(p＜0.001)。包含有与遗传标记相关联未知基因yjcL的DUF891，被发现与色氨酸天冬氨酸重复的基因超家族高度相关。根据转录组测序的表达数据，yjcL关联基因Gh_A09G2500在干旱和盐胁迫后上调表达。新收集种质资源的遗传多样性、基因特性及遗传变异的存在在棉花遗传研究中具有里程碑式的意义。 进一步研究根据棉花表达序列标签开发的SSR标记的特性。使用具有三个核苷酸基序的111个EST-SST多态性分子标记来评估收集自加拉帕戈斯群岛的79份材料(59份达尔文氏棉，20份海岛棉)。每对引物等位基因的变幅是1-7个，平均为2.85个。多态性信息含量值变幅从0.008到0.995，平均为0.520。大部分SSR的识别力很高，平均为0.98。在111个EST-SSRs和gSSRs中，发现有49个最优匹配标记，该结果与在海岛棉，亚洲棉和雷蒙德氏棉基因组中用BLASTx鉴定的155个基因类似。这49个标记包括9个DPLs，所有的MonCGR、MUCS0064和NAU1028和37个SWUs(D-genome)。在开花后10、15、18、21和28天，纤维发育相关的基因GOBAR_DD21902、GOBAR_DD15579、GOBAR_DD27526和GOBAR_AA04676明显地高表达。所鉴定的EST-SSR和gSSR标记可以有效地用于分离群体的功能基因定位、QTL鉴定和棉花育种中分子标记辅助选择。 本研究利用达尔文氏棉×海岛棉（栽培种新海18）的F2群体构建用于基因定位的遗传图谱。利用四倍体棉花多态性基因组SSR标记，构建了包括613个标记的遗传图谱，分布在26条染色体，覆盖了棉花基因组2371.4cM，标记平均间距为9.35cM。锚定到每条染色体的标记数量为5到76，平均每条染色体23.57个标记。相比较A亚组(15.66％)，有较多的标记定位到D亚组上(83.03％)。最长的连锁群长度为143.387Cm，最短为58.430cM，平均长度为91.207cM。棉花D亚组遗传距离为1225.613cM，标记平均遗传距离为1.53cM，A亚组遗传距离为1176.29cM，标记平均距离2.949cM。在我们的遗传图谱中，在仅仅Chr.13(A13)和Chr.18(D13)一个同源染色体对被观测到。遗传图谱上有257个偏分离位点，偏分离比例为41.92％。与A亚组(7.34％)相比较，有较多的偏分离位点分布在D亚组(34.58％)上。在整个基因组的遗传图谱上检测到51个分离的热点区，且相比较A亚组，更多的分布在D基因组。在分离热点区所有的偏分离位点在同一个方向分离。该遗传图谱是第一个基于SSR标记构建的达尔文氏棉和海岛棉种间杂交遗传图谱。本遗传图谱为解析达尔文氏棉基因组结构和定位纤维发育相关的候选基因奠定了里重要的基础，也为精细图谱构建、图位克隆、进化研究、定位优异基因、分子标记辅助选择、棉花或者其他物种比较作图等更为深入的基因组研究奠定了基础。 用纤维相关的转录组数据分析挖掘涉及纤维发育不同时期（开花后0、5、10、15、20、25天）的基因。一共鉴定到12748个差异表达基因。在新海18中鉴定到99220个差异表达基因，在达尔文氏棉中鉴定到75307个差异表达基因。在新海18中鉴定到较多的差异基因。有趣的是，与上文中PCC分析结果一致的是中棉所5-7和新海18在所有的纤维发育时期差异表达基因具有相似的表达模式。