棉花品種ql遺傳多樣性分析

棉花品種ql遺傳多樣性分析

棉花產(chǎn)量屬于數(shù)量特性，其表現(xiàn)型由環(huán)境因素和環(huán)境控制。產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀之間存在著顯著的負(fù)相關(guān),以傳統(tǒng)的育種方法打破這種相關(guān)性、實現(xiàn)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的同步改良難度很大。自上個世紀(jì)80年代以來,由于分子標(biāo)記技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對數(shù)量性狀的研究直接深入到了QTL水平。利用與QTL緊密連鎖的遺傳標(biāo)記,對目標(biāo)性狀進行跟蹤選擇,可縮小育種群體規(guī)模,減少育種過程中選擇的盲目性。利用現(xiàn)代分子標(biāo)記技術(shù)對棉花產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的QTLs篩選是一項十分重要的基礎(chǔ)研究工作。這一領(lǐng)域的研究取得了顯著的成果[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。利用與QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記對目標(biāo)性狀進行標(biāo)記輔助選擇(marker-assistedselection,MAS)已有成功報道。但迄今為止,用于陸地棉遺傳作圖的分子標(biāo)記數(shù)目尚少,不同組合雙親間分子標(biāo)記多態(tài)性差異很大。為此,仍有必要進一步選用陸地棉(GossypiumhirsutumL.)組合進行產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素以及品質(zhì)等性狀QTL的分子標(biāo)記篩選,為揭示棉花主要經(jīng)濟性狀的遺傳規(guī)律和分子標(biāo)記輔助選擇奠定理論基礎(chǔ)。本研究選用泗棉3號為親本材料進行衣分等產(chǎn)量性狀的分子標(biāo)記篩選及QTL定位,旨在為棉花產(chǎn)量性狀分子標(biāo)記輔助選擇奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1種植棉為多元化材料的棉本研究選用的親本材料陸地棉品種泗棉3號(P1)和石短5號(P2)在產(chǎn)量、衣分、衣指、結(jié)鈴性等農(nóng)藝性狀上均具有明顯的差異。泗棉3號(Simian3)由江蘇省泗陽棉花原種場利用雜交育種法于1993年培育而成,具有福字棉、斯字棉、德字棉、岱字棉以及烏干達棉的血統(tǒng),表現(xiàn)出高產(chǎn)、高衣分、抗病、早熟、適應(yīng)性廣的優(yōu)良特性;石短5號(Shiduan5)由河北省農(nóng)場于1955年從珂字棉系統(tǒng)選育而成,表現(xiàn)出中熟、耐旱、優(yōu)質(zhì)等特點,但產(chǎn)量和衣分較低。2004年夏季配置石短5號×泗棉3號組合,冬季海南種植獲得F1單株,自交產(chǎn)生F2;2005年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江浦試驗站種植F2分離群體,隨機選擇188株調(diào)查產(chǎn)量性狀,并對各株進行自交形成F2:3家系種子;2006年又在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江浦試驗站單行種植F2:3家系群體,每個家系12株,完全隨機設(shè)計,不設(shè)重復(fù)。對所有家系進行產(chǎn)量性狀調(diào)查,以F2:3家系的產(chǎn)量性狀平均值作為相應(yīng)的F2個體基因型值的估計值。1.2ssr擴增檢測親本和F2單株棉花葉片DNA采用CTAB法提取2單株進行擴增檢測。引物來源、SSR試驗流程及分析見Guo等的研究。分子標(biāo)記基因型:Ⅰ型為P1型;Ⅱ型為P2型;Ⅲ型為F1型。1.3qtl效應(yīng)分析應(yīng)用SPSS13.0軟件對標(biāo)記數(shù)據(jù)的偏分離、產(chǎn)量性狀間的相關(guān)性進行分析。利用MAPMAKER/EXP(VERSION3.0b)軟件分析標(biāo)記之間的連鎖關(guān)系,構(gòu)建分子遺傳圖譜。LOD值最小為3.0,最大遺傳距離為50cM。應(yīng)用WindowsQTLCartographer2.5的復(fù)合區(qū)間作圖法進行QTL定位和遺傳效應(yīng)分析,LR值13.8(即LOD值為3.0)表示顯著性QTL,LR值9.2～13.8(即LOD值為2.0～3.0)表示可能性QTL。顯性效應(yīng)(D)與加性效應(yīng)(A)絕對值之比大于1,認(rèn)為該QTL表現(xiàn)為顯性,大于3認(rèn)為該QTL表現(xiàn)為超顯性。QTLs的命名參照水稻上常用的方法,以小寫的“q”起,后接性狀的英文字母縮寫,再接染色體或連鎖群的編號(2～3個字母和符號)。如果同一染色體上有兩個以上的QTLs,則加數(shù)字“1”、“2”、“3”等加以區(qū)別。QTL效應(yīng)分析以泗棉3號為基準(zhǔn)。應(yīng)用MapChart2.2作圖軟件繪制遺傳圖譜。對照本實驗室構(gòu)建的海陸種間遺傳連鎖圖譜確定連鎖群所屬的染色體或染色體亞組。無法定位到相應(yīng)染色體或亞組的連鎖群,將其定義為LGX。對未分配到連鎖群上的標(biāo)記進行單標(biāo)記分析。單標(biāo)記分析的方法:根據(jù)分子標(biāo)記結(jié)果將性狀分組,利用t測驗法檢驗組間平均值的差異,確定標(biāo)記與性狀的連鎖關(guān)系;而把性狀與標(biāo)記的回歸方程中的決定系數(shù)R2作為該標(biāo)記能夠解釋性狀表型變異的比例。2結(jié)果與分析2.1fpsp3群體及子棉、鈴重、子棉產(chǎn)量性狀間的相關(guān)分析由表1得出,兩個親本材料子棉產(chǎn)量和單株鈴數(shù)差異達到顯著水平,皮棉產(chǎn)量、衣分、衣指、鈴重和子指差異達到極顯著水平,為產(chǎn)量性狀QTLs的分子標(biāo)記篩選提供了較好的遺傳基礎(chǔ)。F2群體除衣分表現(xiàn)出超低親分離,其它性狀均表現(xiàn)為超雙親分離。F2:3群體,子棉產(chǎn)量和鈴重表現(xiàn)為超高親分離,衣分與衣指表現(xiàn)為超低親分離,其它性狀均表現(xiàn)為超雙親分離。對F2群體和F2:3家系群體各產(chǎn)量性狀間的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表2),子棉產(chǎn)量與衣分、子棉產(chǎn)量與子指、皮棉產(chǎn)量與子指、單株鈴數(shù)與鈴重、單株鈴數(shù)與子指在F2相關(guān)均不顯著,但在F2:3家系都達到了極顯著水平;衣指與鈴重、鈴重與子指在F2相關(guān)均極顯著,但在F2:3家系都未達顯著水平,其他性狀在兩個群體相關(guān)性基本一致。2.2標(biāo)記位點篩選及連鎖圖譜構(gòu)建用本實驗室6111對SSR引物進行雙親分子標(biāo)記的多態(tài)性篩選,結(jié)果僅篩選到120對多態(tài)性引物的123個穩(wěn)定的多態(tài)性位點,多態(tài)率為2.0%。進一步擴增F2群體單株的DNA,鑒定每個個體的標(biāo)記基因型,將篩選出的123個多態(tài)標(biāo)記位點經(jīng)卡方測驗后,有11個偏分離,占8.9%。123個位點全部用于遺傳連鎖圖譜構(gòu)建。其中88個位點分布在19個連鎖群上,總長為666.7cM,覆蓋棉花基因組的14.9%,連鎖群最長的為93.5cM,最短的為0.8cM,標(biāo)記間平均距離為7.57cM。其余35個位點沒有被分配到連鎖群上。參照本實驗室建立的海陸種間遺傳連鎖圖譜,19個連鎖群分別與16條染色體相對應(yīng),2個連鎖群未與染色體對應(yīng),分別表示為LG1、LG2(圖1)。2.3棉產(chǎn)量、產(chǎn)酶及微效多基因檢測F2和F2:3群體共檢測到18個產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的QTLs(圖1,表3)。其中顯著性QTLs4個,可能性QTLs14個,分布在Chr3(A3)、Chr4(A4)、Chr5(A5)、Chr6(A6)、Chr9(A9)、Chr10(A10)、Chr14(D2)和Chr12(A12)/Chr26(D12)上。在Chr3(A3)、Chr4(A4)上分別檢測到2個衣分QTLs,解釋表型變異的6.9%～16.9%;在Chr3(A3)、Chr6(A6)、Chr9(A9)和Chr12(A12)/Chr26(D12)上分別檢測到4個子棉產(chǎn)量QTLs和4個皮棉產(chǎn)量QTLs,解釋表型變異的5.6%～16.2%和4.8%～15.6%;在Chr5(A5)和Chr10(A10)上分別檢測到2個衣指QTLs,解釋表型變異的7.7%～13.3%;在Chr3(A3)、Chr9(A9)和Chr12(A12)/Chr26(D12)上分別檢測到3個單株鈴數(shù)QTLs,解釋表型變異的8.2%～11.6%;在Chr10(A10)和Chr12(A12)/Chr26(D12)上分別檢測到2個鈴重QTLs,解釋表型變異的6.1%～7%;在Chr14(D2)上檢測到1個子指QTL,解釋表型變異的6.6%。可以看出,控制產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的QTLs主要集中在Chr3(A3)、Chr6(A6)、Chr9(A9)、Chr12(A12)/Chr26(D12)上。多數(shù)檢測到的QTLs為主效QTLs,說明這些性狀可能受主基因和微效多基因共同控制。在所有檢測到的QTLs中,10個來自泗棉3號,占55.5%;8個來自石短5號,占44.5%。5個QTLs的遺傳效應(yīng)表現(xiàn)為加性效應(yīng),占27.8%;6個QTLs的遺傳效應(yīng)表現(xiàn)為顯性效應(yīng),占33.3%;其余7個QTLs表現(xiàn)為超顯性效應(yīng),占38.9%。說明泗棉3號和石短5號均含有與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL增效位點,顯性效應(yīng)和超顯性效應(yīng)可能是棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素QTLs的主要遺傳方式。2.4e:3家系群體對試驗中未連鎖的35個多態(tài)性標(biāo)記進行了單標(biāo)記分析(表4)。結(jié)果表明,共有8個分子標(biāo)記分別與各產(chǎn)量性狀存在連鎖關(guān)系。其中,在F2群體中,NAU1522與衣分,NAU5233與衣分和子棉產(chǎn)量,NAU2437b與衣分、子棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量、衣指和單株鈴數(shù),JESPR42與子棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量和單株鈴數(shù),NAU5347與鈴重,BNL3034與單株鈴數(shù)分別存在連鎖關(guān)系。在F2:3家系群體中,NAU4942與子棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量和單株鈴數(shù),MUCS546與子指,NAU5347與子棉產(chǎn)量和單株鈴數(shù),BNL3034與子棉產(chǎn)量和單株鈴數(shù)分別存在連鎖關(guān)系。由于單標(biāo)記分析的假陽性較高,這些與目標(biāo)性狀連鎖的分子標(biāo)記尚待進一步重復(fù)驗證。3不同品種和群體的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量性狀的基因交通由于種內(nèi)DNA標(biāo)記的低多態(tài)性,欲增加標(biāo)記密度是相當(dāng)困難的。本研究中,盡管2個陸地棉親本親緣關(guān)系較遠,且衣分及其它性狀上存在較大的差異,但利用6111對SSR引物對其進行多態(tài)性篩選,僅獲得了123個多態(tài)位點,123個多態(tài)位點的88個構(gòu)建了總長為666.7cM、平均距離為7.57cM的遺傳圖譜,僅覆蓋棉花基因組的14.9%。因此,為提高QTL檢測的效率,開發(fā)更多的SSR及其它分子標(biāo)記對加密該遺傳圖譜是很有必要的。通過構(gòu)建F2:3家系群體,用F2:3家系的平均值來估計F2個體的表型值,雖減少了環(huán)境誤差,提高了實驗精度,但在QTL檢測上低估了顯性效應(yīng)和超顯性效應(yīng)。從表2可以看出,F2:3家系群體的遺傳結(jié)構(gòu)與F2群體比較發(fā)生了較大的變化,一些性狀的相關(guān)程度有所增加。因此,同時對F2、F2:3家系群體進行QTL檢測是必要的。本研究共檢測出了18個與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTLs,其中F2群體檢測出了3個QTLs,F2:3家系群體檢測出了15個QTLs。未發(fā)現(xiàn)同一性狀QTL在F2和F2:3群體中同時被檢測到,可能是由于非遺傳方差較大降低了QTL檢測的效率。所有檢測到的產(chǎn)量性狀QTLs多數(shù)成簇分布在Chr3(A3)、Chr6(A6)、Chr9(A9)和Chr12(A12)/Chr26(D12)的相同區(qū)段上,如在Chr3(A3)上分子標(biāo)記BNL226～MUSS162之間21.2cM區(qū)間內(nèi)分別檢測到1個子棉產(chǎn)量QTL、1個皮棉產(chǎn)量QTL、1個衣分QTL和1個單株鈴數(shù)QTL;在Chr12(A12)/Chr26(D12)之間6.4cM區(qū)間內(nèi)分別檢測到1個子棉產(chǎn)量QTL、1個皮棉產(chǎn)量QTL、1個單株鈴數(shù)QTL和1個鈴重QTL。這不僅表明控制同一產(chǎn)量性狀的基因分布于多個染色體,它們之間可能存在上位性,而且表明控制不同產(chǎn)量性狀的基因可能緊密連鎖或一因多效,部分解釋了它們之間的遺傳相關(guān)。其他作物如大豆、水稻不同性狀QTLs在相同染色體區(qū)段上的成簇分布也有類似的報道。本研究選用的親本材料泗棉3號在子棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量、衣分、衣指以及單株鈴數(shù)性狀上表現(xiàn)為高值親本,而石短5號在鈴重和子指性狀上表現(xiàn)為高值親本(表1)。對所有檢測到的18個產(chǎn)量性狀QTLs的遺傳效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),有11個QTLs來自高值親本,解釋表型變異的4.8%～15.6%。還有7個QTLs來自低值親本,解釋表型變異的7%～16.9%。這說明不論高值或低值親本,均含有對目標(biāo)性狀起增效作用的QTL位點。由于隱蔽基因效應(yīng),來自低值親本的QTLs在親本世代表現(xiàn)不出來,當(dāng)發(fā)生重組時則可能被檢測到。18個QTLs中有5個QTLs的遺傳效應(yīng)表現(xiàn)為加性效應(yīng),占總QTLs的27.8%;6個表現(xiàn)為顯性效應(yīng),占總QTLs的33.3%;7個表現(xiàn)為超顯性效應(yīng),占總QTLs的38.9%。這說明控制棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素QTLs的作用方式主要表現(xiàn)為顯性和超顯性效應(yīng)。殷劍美等利用泗棉3號×TM-1F2、F2:3家系群體對陸地棉產(chǎn)量性狀QTLs研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)量性狀的QTLs在Chr9(A9)成簇分布;Zhang等利用渝棉1號×T586F2:3家系群體將2個衣分QTLs分別定位在Chr5(A5)和Chr6(A6)上;Shen等利用7235×TM-1RIL(重組自交系)群體將2個衣分QTLs分別定位在Chr3(A3)和Chr9(A9)上。汪保華利用湘雜棉2號永久性F2群體將1個單株鈴數(shù)QTL定位在Chr3(A3)上;將1個子棉產(chǎn)量、1個皮棉產(chǎn)量以及1個單株鈴數(shù)的QTLs定位在Chr9(A9)上;將1個子指QTL定位在Chr12(A12)上;將1個子棉產(chǎn)量、1個單株鈴數(shù)、1個鈴重、1個子指以及1個衣指的QTLs定位在Chr26(D12)上。本研究檢測到的與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTLs主要分布在Chr3(A3)、Chr6(A6)、Chr9(A9)以及Chr12(A12)/Chr26(D12)上,由此可以認(rèn)為,Chr3(A3)、Chr6(A6)和Chr9(A9)以及Chr12(A12)/Chr26(D12)很可能包含產(chǎn)量性狀QTLs的富集區(qū)。其中Chr12(A12)/Chr26(D12)上有3個QTLs(分別是子棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量和單株鈴數(shù)),LOD值均