陆地棉RIL群体遗传图谱构建及产量与纤维品质QTL定位

摘要

棉花是我国重要的经济作物之一，其生产不仅关系农业生产的经济效益，同时还极大地影响着纺织和服装工业发展。随着纺织业技术改进和人民生活水平提高，棉花的市场需求有了较大增长，尤其是对棉花纤维品质提出了更高要求。然而棉花产量和纤维品质都属典型的复杂数量性状，传统育种方法很难实现棉花产量和纤维品质同步改良。现代遗传学和分子生物学的发展可将控制复杂性状的多个遗传因子分解成类似于单个孟德尔因子进行研究，将遗传标记与复杂的数量性状QTL位点相关联，通过检测和追踪某个或某几个分子标记，实现对复杂数量性状的遗传操控，从而实现对棉花产量和纤维品质性状的分子标记辅助选择和改良。
　　 本研究在目前开发的大量棉花SSR分子标记的基础上，采用以PCR为基础的分子标记（SSR、SRAP和RAPD）技术，以陆地棉重组自交系(RIL)群体为研究对象，构建了具有高密度的陆地棉分子标记遗传图谱，对棉花产量与纤维品质相关性状进行了QTL定位，并对其效应进行了研究。同时基于该RIL群体创建了的棉花永久F2群体（IF2群体），并对其纤维品质分布特点及其在棉花纤维品质性状QTl定位中的应用进行了探索。主要研究结果如下：
　　 (1)以两个亲缘关系较远、棉花产量及纤维品质性状均存在较大差异的陆地棉品种HS46和MARCABUCAG8US-1-88为亲本，通过改良行混合法培育而成的RIL群体为材料。通过3年3点4个环境下的棉花产量及纤维品质性状调查，结果显示该RIL群体的两个亲本品种在棉花产量以及纤维品质性状上均存在显著差异。同时该RIL群体在籽棉产量、皮棉产量、衣分、铃重、衣指和籽指上均具有较大变异，纤维品质性状也存着较大的变异，且群体中以上各性状均符合正态分布。这表明该RIL群体是一个优良的遗传研究群体，可用于棉花遗传图谱构建及其棉花产量和纤维品质性状QTL定位研究。
　　 (2)以SSR标记为主，结合SRAP和RAPD标记技术，建立了包含388个分子标记、共30个连锁群、覆盖1946.22cM遗传距离的陆地棉种内遗传图谱。该图谱是目前以陆地棉种内重组近交系群体为对象所建立的具有较高密度的棉花分子标记遗传图谱，其覆盖了棉花基因组41.55％，标记间平均遗传距离为5.03cM，最小标记间距为0，最大标记间距为37.53cM。根据已定位于特定染色体上的SSR标记，将所构建的30个连锁群中的15个定位于14条染色体上，其中A亚组的7条染色体包含133个标记，覆盖683.44cM；D亚组的7条染色体中拥有70个分子标记，跨度为373.OOcM。这表明A基因亚组比D基因亚组大或者A基因亚组较D亚组具有更多交换、重组机会。通过与前人的研究比较，研究所构建的遗传图谱中有11条染色体或连锁群在棉花基因组中存在不同程度的同源性，证明了棉花的基因组内不同染色体间存在一定同源性。
　　 (3)四个环境下的棉花产量性状的联合方差分析表明，环境对棉花产量具有较大影响。因此，采用四个环境下的棉花产量调查数据开展多环境联合QTLs定位将更有意义。在联合QTL定位中，共检测到与籽棉产量相关QTLs共33个，与皮棉产量相关QTLs共23个，与衣分有关QTLs共6个，与单铃重有关QTLs共14个，与籽指有关QTLs共20个，与衣指有关的QTLs共13个。其中共有21对QTLs是通过上位性效应来影响棉花产量及其相关性状，且加加上位性QTLs的总贡献率较加性QTLs总贡献率大。这表明上位性效应是影响棉花产量及其相关性状的重要因素。在QTLs与环境互作以及上位性与环境互作检测中，共检测到9个加性QTLs与环境的互作效应达到了显著或极显著水平，另有17对加加上位性QTLs与环境的互作效应也达到了显著或极显著水平，且互作效应的表型贡献率较大。这表明环境与QTL互作对棉花产量及其相关性状具有重要影响，因此要培育具有广泛适应性的棉花品种，必须聚合更多QTLs才可能实现。同时所检测到的与棉花籽棉产量相关的单个QTL的效应都较小，且试点环境差异程度和采用的环境数量也会对其遗传效应产生影响。可见，仅通过对个别QTLs的选择，对于棉花产量性状的改良效果不明显，只有实现大量优势QTLs的聚合才能获得较大产量性状的遗传增益。
　　 (4)共检测到与棉花纤维品质性状相关的QTLs25个，其中有lO对QTLs位点的上位性效应达到了显著或极显著水平。这些上位性位点涉及到分布于13条染色体或连锁群中的19个QTLs，其QTLs数目与染色体或连锁群数目均明显大于具显著效应的加性QTLs数目与所涉及的染色体或连锁群的数。同时，所检测到的上位性QTLs的累加表型贡献率也较加性效应的累积贡献率大，而且这些加加上位性所涉及到的QTL多属于本身加性效应未达到显著水平的位点。可见上位性效应在棉花纤维品质性状的遗传中具有重要作用，是纤维品质性状QTLs定位中不可或缺的重要组成部分。同时研究中所检测到的与棉花纤维品质性状相关的单个QTL的效应也都较小。可见，通过仅对个别 QTLs的选择，对于棉花纤维品质性状改良的效果不明显，而只有实现大量优势QTLs的聚合才能获得较大的棉花纤维品质性状的遗传增益。与棉花产量性状相比，与纤维品质性状相关的QTLs数目（包括与环境互作效应达到显著水平的QTLs以及上位性效应达到显著水平QTLs）要少得多，这反映出棉花纤维品质性状较产量性状遗传机理可能要简单些，这也预示着棉花纤维品质性状的遗传改良较产量性状要容易一些。
　　 (5)研究建立了基于RIL群体的陆地棉永久IF2群体，并对该IF2群体中各项纤维品质性状在两个环境下进行了调查，结果表明该IF2群体各项纤维品质性状的平均值均界于双亲之间或与两亲本品种相应性状的差异不显著，且各纤维品质指标的群体平均值与两亲本间杂交所形成的Fi对应值相似或更高，同时该IF2群体中各项纤维品质指标均呈现良好的正态分布。且该IF2群体与原RIL群体的各项纤维品质性状均值间均无明显差异，或部分指标的标准差也都非常接近，甚至IF2群体中的个别指标标准差还高于RIL群体。
　　 以该IF2群体为对象，共检测到与棉花纤维品质性状相关的QTLs共30个，分布于16条染色体或连锁群。其中与显性效应有关的QTLs共17个，涉及15条染色体或连锁群，其显性效应及其所能解释的表型变异百分率均较大，也检测到了具有显著效应的加显上位性、显加上位性及显显上位性，且部分上位性效应与环境互作也达到了显著水平。可见，显性效应是纤维品质性状遗传中不可缺少的重要部分。