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

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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6.7710.10,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,CotAD01947在叶片中优势表达,24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CotAD01947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GhA02G1268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GhA02G1268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,存在有四个注释基因:CotAD22823、CotAD22824、CotAD22825和CotAD35088,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。
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