陆地棉早熟与产量纤维品质性状的全基因组关联分析及候选基因筛选

摘要

棉花（Gossypium spp.）是世界上最重要的纤维作物，也是我国最主要的经济作物之一。我国是主要的产棉大国和棉纺织品出口大国，棉花在我国国民经济中占有十分重要的地位。陆地棉（Gossypium hirsutum L.）是棉花最大的四倍体栽培种，其产量占了整个棉花的95％以上。早熟、纤维品质、产量等性状是陆地棉最主要的育种目标性状，这些性状的QTL定位和基于SSR标记关联分析的研究已有大量的报道，但是基于全基因组SNP位点的全基因组关联分析(GWAS)的研究相对较少。因此从全基因组水平上解析主要育种目标性状遗传基础的研究仍不够，需要进一步开展相关研究。本研究利用355份陆地棉种质资源构成的自然群体，基于SLAF简化测序技术，检测到了能均匀分布在陆地棉26条染色体上的81，675个SNP位点;同时分2年(2014-2015)2点（河南安阳、新疆石河子）田间种植全部供试材料，调查了与早熟、纤维品质、产量相关的主要性状，开展了SNP位点与目标性状的GWAS研究及显著关联位点附近候选基因的挖掘，主要研究结果如下:
　　通过6个早熟相关性状的GWAS研究，获得了41个与早熟相关性状显著的关联，其中29个关联所对应的SNP位点分布在Dt3染色体上。在这些显著关联的位点中，位于Dt3染色体上的SNP位点rsDt3∶13562854同时与5个早熟相关性状（WGP、FT、FBP、NFFB和YPBF）显著关联，-log10(P)为6.77～10.10，能解释9.34％～14.13％的表型变异。rsDt3∶13562854附近1Mb的基因组区域注释了32个基因，qRT-PCR分析发现，CotAD_01947在叶片中优势表达，2～4叶期在早熟品种叶片的表达量显著高于中晚熟品种(P＜0.01)。结果说明CotAD_01947是与陆地棉的早熟性相关的候选基因。
　　通过3个产量构成性状的GWAS研究，获得12个与衣分性状显著相关的SNP位点，其中定位在At3和At4染色体上的5个SNP位点的-log10(P)＞6.21，能解释9.42％～12.88％的表型变异。分布在At4染色体上rsAt4∶15572813和rsAt4∶15573052能在4个不同的环境及BLUPs下同时与衣分显著关联;分布在At3上rsAt3∶43538238、rsAt3∶43631774和rsAt3∶43631819能在3个不同的环境及BLUPs下同时与目标性状显著关联，说明At3和At4染色体上存在控制衣分性状的两个主效QTL。利用陆地棉（TM-1）10个不同组织的RNA-seq数据，分析发现Gh_A02G1268在5 DPA纤维中优势表达，而在种子表达量很低，是纤维5 DPA表达量的1/300，我们推测Gh_A02G1268可能在提高陆地棉衣分及纤维品质方面具有潜在的作用。
　　通过5个纤维品质构成性状的GWAS研究，分别获得了16、10、7个与FL、FS和FU显著关联的SNP位点。在Dt7染色体上发现了两个重要基因组区段MGR1和MGR2，其中MGR1上存在有9个SNP位点均与FL显著关联;MGR2存在有2个SNP位点同时与FL、FS显著关联。在MGR1和MGR2两个区段内，存在有四令注释基因:CotAD_22823、CotAD_22824、CotAD_22825和CotAD_35088，这四个基因可能是控制FL与FS的候选基因。同时发现MGR1和MGR2，在五个生态区（YR、YZR、NW、LN和USA）品种间的优异单倍型分布频率和遗传多样性系数均存在显著的差异。YR、YZR和USA材料的优异单倍型频率显著高于NW和LN材料，新疆南疆品种的优异单倍型出现频率显著高于北疆。结果说明我国低纬度地区品种优异单倍型的出现频率要高于高纬度地区的品种。同时发现MGR1和MGR2的遗传多样性系数远低于全基因组及Dt7染色体的平均遗传多样性指数，而且优异单倍型种质的遗传多样性系数也显著低于非优异单倍型种质。这些结论支持MGR1和MGR2经历了一个人工选择过程的推论。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 陆地棉早熟与产量纤维品质性状的研究概述

1．1．1 我国棉花的生产现状及存在的问题

1．1．2 陆地棉的早熟、优质、高产等育种目标性状

1．1．3 早熟、产量和纤维品质性状间的相互关系

1．2 单核苷酸多态性的检测

1．2．1 SNP标记概述

1．2．2 利用基因芯片技术检测SNPs

1．2．3 利用简化基因组测序检测SNPs

1．2．4 利用高通量全基因组重测序检测SNPs

1．3 作物数量性状遗传基础的解析方法

1．3．1 连锁分析

1．3．2 关联分析

1．3．3 连锁与关联的联合分析

1．4 陆地棉早熟与产量纤维品质性状遗传基础解析的进展

1．4．1 早熟相关性状QTLs

1．4．2 产量构成性状QTLs

1．4．3 纤维品质构成性状QTLs

1．5 本研究的目的和意义

第二章 陆地棉SNP标记开发、群体结构及连锁不平衡分析

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 基因组DNA的提取

2．1．3 酶切建库

2．1．4 酶切测序

2．1．5 SLAF标签的开发和SNP标记的鉴定

2．1．6 系统进化树及群体结构分析

2．1．7 连锁不平衡分析

2．2 结果与分析

2．2．1 SLAF-seq文库构建

2．2．2 SLAF标签与SNP标记的鉴定

2．2．3 遗传多样性聚类分析

2．2．4 群体结构分析

2．2．5 连锁不平衡分析

2．3 讨论

2．3．1 简化基因组测序技术

2．3．2 陆地棉种质资源的遗传多样性分析

2．3．3 群体结构分析方法

2．3．4 影响LD的因素

第三章 陆地棉早熟与产量纤维品质性状的表型分析

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 田间试验设计

3．1．3 表型性状鉴定方法

3．1．4 表型数据统计与分析

3．2 结果与分析

3．2．1 早熟相关性状的表型分析

3．2．2 产量构成性状的表型分析

3．2．3 纤维品质构成性状的表型

3．2．4 早熟、产量和纤维品质重点代表性状间的相关关系

3．3 讨论

3．3．1 表型性状多年多点的准确鉴定

3．3．2 早熟、产量和纤维品质问的关系

3．3．3 表型的精准鉴定技术

第四章 陆地棉早熟与产量纤维品质性状的全基因组关联分析

4．1 研究方法

4．1．1 最佳线性无偏估计值(BLUPs)的计算

4．1．2 全基因组关联分析(GWAS)

4．1．3 关联位点的单倍型分析

4．2 结果与分析

4．2．1 早熟相关性状的GWAS

4．2．2 产量构成性状GWAS

4．2．3 纤维品质构成性状的GWAS

4．3 讨论

4．3．1 与前人QTL定位和关联分析结果的比较

4．3．2 影响GWAS结果的因素

第五章 陆地棉重要育种目标性状候选基因的筛选

5．1 材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 候选基因的筛选方法

5．1．3 棉花叶片取样时期与方法

5．1．4 RNA提取

5．1．5 cDNA第一链的合成

5．1．6 RT-PCR

5．2 结果与分析

5．2．1 染色体D，3上早熟性状候选基因的筛选

5．2．2 调控衣分候选基因的筛选

5．2．3 调控纤维长度、强度候选基因的筛选

5．3 讨论

5．3．1 植物调控开花关键基因及分子机制的研究

第六章 两个人工选择驯化基因组的区段

6．1 实验材料

6．2 研究方法

6．2．1 优异单倍型频率(FHF)的比较

6．2．2 遗传多样性系数的计算

6．3 结果与分析

6．3．1 MGR1和MGR2优异单倍型的地域分布

6．3．2 不同育种时期优异单倍型频率的变化规律

6．3．3 MGR1和MGR2的遗传多样性分析

6．3．4 人工选择基因组区段的发现

6．4 讨论

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．1．1 基于SNP评价了中国陆地棉品种资源的遗传多样性

7．1．2 早熟相关性状优异等位变异及候选基因的筛选

7．1．3 衣分的优异等位变异及候选基因的挖掘

7．1．4 纤维品质性状优异等位变异及候选基因的预测

7．2 主要创新点

7．3 展望

7．3．1 家系群体QTL定位和GWAS结合应用

7．3．2 基于重测序挖掘海量的SNP关联缩小QTL区段

7．3．3 候选基因的功能验证

参考文献

附录

缩略词

致谢

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