陆地棉SSR遗传多样性及纤维品质和产量性状关联作图

摘要

棉花是世界上天然纤维作物的主要来源。由于陆地棉产量高抗逆性强，现代棉花育种主要以陆地棉(G.hirsutum L.)为材料进行改良。然而，陆地棉遗传基础狭窄很大程度上阻碍了育种的进程。为了探索陆地棉遗传多样性，鉴定数量性状位点(QTL)对经济性状的贡献，实现纤维产量和品质性状的同步改良，本研究利用302个陆地棉优异种质（253个来自中国，25个来自美国，24个来自其他国家）。2012年和2013年在长江和黄河流域通过调查各品种农艺性状，并通过198个简单重复序列(SSRs)标记的基因分型，对陆地棉的群体结构和重要农艺性状QTL进行系统研究。SSR标记的扩增总共获得897个等位基因，其中77.7％具有多态性，等位基因数范围从2-12（平均4.53）。多态性信息含量值(PIC)范围为0.371-0.019（平均0.225）。来自中国的品种SSR多态性水平最高（基因多样性平均值为0.268，PIC平均值为0.218），总群体的遗传距离为0.451-0.052（平均值为0.270），其中源自美国的品种平均遗传距离最大(0.274)。基于贝叶斯(MBB)模型分析的群体遗传结构表明，整个群体的品种可分为三个亚群。MBB群体的分子遗传变异占4％(p＜0.001)，说明群体结构的存在。棉花种质SSR标记成对的亲缘关系值变化值范围为0-0.867，其中51.91％的棉花种质SSR位点亲缘关系值为零，只有1.59％的SSR位点表现极显著的连锁不平衡（LD，r2）。成对连锁标记对的平均r2值为0.5582(p＜0.001)，高于未连锁标记对和总群体，表明在陆地棉种质资源中物理连锁对LD影响很大。全基因组LD衰减(LD decay)遗传距离约30-32cM(r2=0.1)，当r2=0.2时，减少到1-2cM，说明在陆地棉群体中进行关联分析是可行的。联合方差分析均表明10个主要产量和纤维品质性状的基因型(G)、环境(E)、基因型与环境的相互作用(G×E)遗传效应有显著变异(p≤0.01)。在研究的表型性状中，衣分(LP)、纤维长度(FL)和麦克隆值(Mic)分别为42.94％-28.25％、32.86-24.33mm和5.90-3.70。简单线性相关系数(r)分析表明品质性状间呈显著的正相关(0.199-0.795，p＜0.01)。纤维产量和品质性状的广义遗传力(H2)估计值分布从75.18％到97.08％。混合线性模型(MLM)在41个SSR标记和10个性状中检测到102个显著的标记-性状关联(p＜0.01)，包括11个与株高(PH)关联的标记，8个与铃数(NB)，10个与铃重(BW)，9个与衣分(LP)，9个与纤维长度(FL)，13个与麦克隆值(Mic)，17个与纤维强度(FS)，8个与纤维伸长度(FE)，7个与纤维整齐度(UI)和10个与纤维一致率(UR)关联的标记。SSR位点解释的表型变异的比例为1.8～8.9％，平均为3.5％。超过一半(51％)的QTL为有利QTL，其中麦克隆值的QTL等位基因数量最多(12)，其次是纤维强度(8)和铃重(7)。全基因组的SSR标记揭示了陆地棉优异种质资源群体的遗传多样性，发掘了重要农艺性状相关联的优异QTL，本研究将有利于陆地棉栽培种的改良和分子辅助育种。

目录

声明

摘要

Abstract

Dedication

Table of Contents

List of Tables

List of Tables continued

List of Figures

List of Appendixes

Abbreviations

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1．1 Production and economic importance of cotton

1．2 Cotton germplasm resources and diversity

1．2．1 The cotton gene pool

1．2．2 Origin and distribution of Upland cotton

1．2．3 Genetic diversity extent in Upland cotton

1．3 Molecular markers used in cotton genetic study

1．3．1 Restriction fragment length polymorphisms(RFLPs)

1．3．2 Randomly amplified polymorphic DNA(RAPD)

1．3．3 Amplified fragment length polymorphisms(AFLPs)

1．3．4 Simple sequence repeats(SSRs)

1．3．5 Single-nucleotide polymorphisms(SNPs)

1．4 Quantitative traits

1．5 Linkage mapping

1．6 Association mapping

1．6．1 Why association mapping?

1．6．2 Candidate gene and genome-wide association mapping

1．6．3 Linkage disequilibrium and association mapping

1．6．4 Quantifying linkage disequilibrium

1．6．5 Factors affecting linkage disequilibrium

1．6．6 Implication of linkage disequilibrium in association mapping

1．6．7 Linkage disequilibrium and association mapping in cotton

1．7 Study hypothesis and objectives

CHAPTER 2 MATERIALS AND METHODS

2．1 Plant genetic materials

2．2 Field experiment

2．2．1 Experimental locations

2．2．2 Experimental design and procedures

2．2．3 Data collection on phenotypic traits

2．3 Laboratory experiment

2．3．1 SSR markers selection

2．3．2 Genomic DNA extraction

2．3．3 PCR amplification

2．3．4 Gel electrophoresis

2．4 Molecular data collection and analysis

2．4．1 Genetic diversity and phylogeny

2．5 Association analysis

2．5．1 Phenotypic data analysis

2．5．2 Population structure and differentiation

2．5．3 Relative kinship

2．5．4 Linkage disequilibrium

2．5．5 Marker-trait association

CHAPTER 3 RESULTS

3．1 Genetic diversity and phylogenic analysis

3．1．1 SSR polymorphisms in the whole germplasm

3．1．2 Genetic distance and phylogenic analysis in the whole germplasm

3．1．3 Genetic distance and phylogenic analysis in the model-based Bayesian populations

3．1．4 SSR polymorphisms within inferred and predefined populations

3．2 SSR marker-trait association analyses

3．2．1 Performance evaluation，correlations and heritability estimates of phenotypic traits

3．2．2 Population structure and differentiation

3．2．3 Pair-wise relative kinship

3．2．4 Linkage disequilibrium

3．2．5 SSR loci associated with fiber yield and quality traits

CHAPTER 4 DISCUSSIONS

4．1 Genetic diversity

4．2 Population structure and kinship

4．3 Variations of quantitative traits

4．4 Linkage disequilibrium

4．5 QTL identified through genome-wide association mapping

CONCLUSIONS

REFERENCES

APPENDIXES

ACKNOWLEDGEMENTS

CURRICULUM VITA