论文部分内容阅读
陆地棉（Gossypium hirsutum L.AADD,2n=52）是世界上种植最为广泛的经济作物,并且也是自然纤维的主要来源。上个世纪20年代开始,中国从美国大量引进陆地棉种质资源,包括岱字棉、斯字棉、爱字棉和金字棉等。后来随着陆地棉在国内不断种植和生产区域的扩大,育种家们在提高其产量、纤维品质和早熟性上付出了巨大努力。尤其早熟性的研究以及品种的选育对缓解粮棉争地、促进粮（油）棉两熟机制的发展以及提高复种指数起了很大的推动作用,伴随着此过程,棉花育种群体积累了丰富的早熟性遗传变异。本研究利用表型和遗传多样性丰富且包含极具代表性的早熟棉育种材料的陆地棉群体为研究对象,采用文献研究、田野调查、全基因组重测序和基因功能验证等多种方法解析陆地棉育种群体早熟性的遗传基础和分子机理。本试验共收集436份陆地棉种质资源进行全基因组序列分析,包括32份陆地棉的半野生种和404份栽培品种（系）;这些品种（系）起源于不同的国家,并且在中国有着广泛的地理分布,代表了世界各地100多年的育种材料。通过研究分析,主要得到了如下结果:1.基于436份陆地棉重测序数据,共鉴定了 10,118,884个高质量的SNPs和864,132个Indels。大多数（91.06%）的SNPs位于基因间隔区域,只有小部分（0.66%）的SNPs位于19,318个基因的编码区。其中,在15,006个基因中鉴定出42,052个非同义突变SNPs。2.利用CLR的方法鉴定了早熟棉在人工选择和现代育种过程中受选择的区域和基因。通过功能注释分析发现这些基因主要与开花、激素分解代谢、防御反应和衰老四个主要途径相关。3.对355份核心种质进行三年三点种植试验,考察了 7个与棉花早熟性相关的性状:包括开花期（flowering time,FT）、花铃期（the period from first flower blooming to first boll opening,FBP）、全生育期（whole growth period,WGP）、霜前花率（yield percentage before frost,YPBF）、果枝始节位（node of the first fruiting branch,NFFB）、果枝始节位高（height of the node of the first fruiting branch,HNFFB）和株高（plant height,PH）。通过统计分析发现7个早熟相关性状存在显著的表型变异,数据呈现出明显的正态分布。Pearson相关系数分析表明,霜前花率与其它早熟性状呈显著负相关,而其余6个早熟性状间均呈显著正相关。7个早熟相关性状有很高的广义遗传力,遗传力介于0.67（全生育期）至0.79（开花期）之间。4.对7个显著相关的早熟相关性状进行全基因组关联分析鉴定到分布在9个染色体上的307个显著SNP位点。其中6个位点（rsD0337996318、rsD0337952328、rsD0338191576、rsD0338175272、rsD0338370420 和 rsD0339122594）与多个早熟性状显著关联,这表明多效性的遗传基础使得在育种过程中同时改良多个早熟性状成为可能。值得注意的是,两个早熟遗传热点区域位于D03和A05染色体,共包括88.92%（273）的关联位点。5.位于D03染色体上的SNP标记rsD0339122594与开花期、全生育期、霜前花率和株高显著关联（平均-log10（P）为7.88）。通过对rsD0339122594在两个重组自交系中进行高密度溶解曲线分析表明,携带AA基因型的材料相比于携带GG基因型的材料早熟性更好。进一步对与rsD0339122594紧密连锁的基因GhirD03G011310分析发现,GhirD03G011310从现蕾0d到20 d发育过程中在早熟棉中棉所50号中表达量显著高于晚熟材料TM-1;利用病毒诱导基因沉默（VIGS）技术抑制GhirD03G011310在中棉所50号中表达可以延迟棉花现蕾;同时对GhirD03G011310所在的LD blcok 区域进行进化分析发现,其在早熟群体中的遗传多样性明显低于中晚熟群体和陆地棉的半野生种群体,在LD blcok区域内早熟棉群体和中晚熟群体的Fst值也显著高于侧翼区间。这些证据表明GhirD03G011310是影响棉花早熟性的候选基因并在短季棉育种历程中受到了强烈的人工选择。6.在A05染色体我们发现GhirA05G017390和其在Dt亚基因组中的同源基因GhirD05G017200与果枝始节位高度和株高显著关联。荧光定量结果发现GhirA05G017390在早熟品种（PH=59.25±5.69 cm）顶芽中的表达量显著高于晚熟品种（PH=87.96±4.39 cm）;将GhirA05G017390在拟南芥中过表达产生矮秆表型的株系;利用VIGS技术抑制GhirA05G017390在‘中棉所50’号中表达可以影响植株高度。因此我们推测GhirA05G017390未来在控制棉花株高方面具有潜在的作用。7.以‘中213’和‘鲁棉研28号’为亲本构建F2群体,从中随机挑选170株进行简化基因组测序,构建高密度遗传图谱。该遗传图谱的总长度为2480 cM,包含3,978个单核苷酸多态性位点,标记之间平均遗传距离为0.62 cM。对F2和F2:3群体进行早熟QTL定位发现,共检测到47个QTL。其中在D03染色体上检测到一个稳定的QTL,在多个早熟相关性状中的表型变异解释率为10.42%～32.57%。利用基因功能注释和在亲本的qRT-PCR数据,筛选到了两个开花相关的候选基因:GhD03G0885（TOC1）和 GhD03G0922（AGL8）。