野生棉种渐渗创新的优质棉种质及其遗传研究

论文摘要

棉花是重要的经济作物,是纺织工业的重要原料。棉属除陆地棉、海岛棉、亚洲棉、草棉四个栽培种外,还有46个野生种,分属于A、B、c、D、E、F、G、K和AD基因组,是改良栽培棉花的重要基因资源。但由于种间存在生物学隔离,陆地棉与野生二倍体种杂交转育,存在杂交不亲和性、杂种F1的不育性以及杂种后代不易稳定等障碍,给野生棉的育种利用带来了很大困难。为了进一步拓宽陆地棉的遗传基因库,丰富品质育种的基因资源,本研究利用棉属野生种广泛开展了棉花种间杂交研究,包括种间杂交不可交配性和杂种F1不育性等种间杂交育种障碍的克服,将野生棉的优良基因广泛转入栽培品种,改良栽培棉花品种的纤维品质,为育种利用野生棉架起桥梁。此外,利用细胞遗传学手段对棉花种间关系进行研究。对种间杂交后代进行分子细胞遗传鉴定、外源DNA/染色体的检测鉴定、渐渗系纤维品质性状QTL的分子标记筛选及杂交后代的辅助选择、纤维品质性状的遗传和偏相关分析,为棉花育种利用提供理论依据。主要研究结果如下:1.只要针对棉花不同的生长环境,采取适宜的杂交手段,都可以克服种间杂交的不可交配性,成功获得种间杂种。如在南京,则必须进行栽培环境的控制（主要是温度）并与激素保铃相结合;在海南三亚冬季,棉花开花时适逢旱季,空气湿度较低,天气较凉爽,有利于棉花的种间杂交工作,无需附加其它辅助条件。共获得了细胞学和形态学证实的种间杂种F1植株组合60个,涉及B、C、D、E、G、K等8个染色体组中的6个,这些种间杂种的获得为棉花种间杂交育种研究奠定了基础。2.采用以海岛棉7124为桥梁亲本法,与瑟伯氏棉、松散棉、拟似棉杂交,然后与陆地棉直接杂交,成功地获得了[（栽培四倍体海岛棉×野生二倍体棉）F1×陆地棉]F1的可育三元杂种;采用直接回交法,成功克服了栽培四倍体陆地棉与野生二倍体棉斯特提棉种间三倍体杂种F1的不育性。共使4个野生二倍体棉成功进入育种程度,为育种利用提供了非常宝贵的中间材料。桥梁亲本法和直接回交法的优点是无需经过染色体加倍、无需经历六倍体和五倍体阶段,可以缩短育种年限,也为今后野生棉的育种应用提供了技术基础。3.对棉属的22个种间杂种F1花粉母细胞（PMC）减数分裂中期Ⅰ（MⅠ）的染色体行为进行了细胞遗传学研究,涉及到A、B、C、D、E、G、AD等七个染色体组棉种,从细胞学上证实了所获得的杂种为真杂种,获得了它们的染色体构型。这22个种间杂种F1的PMCMⅠ的染色体行为研究表明,①Gherbaceum与Ganomalum,Gbarbosanum间的亲缘关系非常近,染色体间的同源性非常高,但由于出现较高频率的四价体,表明其存在染色体的易位等结构变异。②A与E、G染色体组棉种间的亲缘关系较远,染色体间的同源性不高。③异源四倍体棉的A、D染色体亚组与C或G染色体的亲缘关系较远,染色体间的同源程度很低。④异源四倍体棉（拟似棉除外）的D染色体亚组与D染色体组棉种的染色体同源性较好,其中与雷蒙德氏棉的亲缘关系最近,它最接近于四倍体D亚组的供体;但拟似棉的D染色体与AD四倍体的D亚组染色体配对频率明显低于其它D染色体组棉种,与四倍体中的D亚组染色体同源性较低。’4.采用陆地棉（G hirsutum L）标准系TM-1体细胞有丝分裂中期染色体为靶标,以野生种斯特提棉（G sturtianum Willis）为探针,通过提高封阻DNA与探针浓度比例、洗脱液中甲酰胺浓度、洗脱温度、延长洗脱时间等,以增强DNA杂交反应的严谨性,使靶标中刚刚没有杂交信号为止。结果,封阻DNA与探针之比为100:1、洗脱液中甲酰胺浓度为60%、洗脱温度为43℃、洗脱时间13 min时,TM-1的靶标染色体上无杂交信号,而以TM.1与斯特提棉杂种F1（基因组组成为AtDtC1）体细胞有丝分裂中期DNA为靶标,则可清晰地将斯特提棉的C1基因组染色体与陆地棉基因组染色体鉴定出来,建立了棉花外源染色体鉴定的基因组原位杂交（GISH）技术体系。并在此基础上,以A1基因组的阿非利加草棉（G herbaceum Lvar.africanum）和C1基因组的斯特提棉两个棉种的DNA同时为探针,可以清晰地区分At、Dt和C1基因组染色体,且重复性好,建立了棉花多色GISH技术体系,并成功应用于种间杂种的鉴定。对引自澳大利亚CSIRO的陆地棉与澳洲棉（G australe F.v.M.）（G2基因组）六倍体杂种（基因组组成为AtAtDtDtG2G2）进行的多色GISH,可清晰地区分A1、Dt和G2基因组染色体。为渐渗系中的外源DNA片段及其整合方式提供了技术基础。5.对比克氏棉（G基因组）、澳洲棉（G基因组）、斯特提棉（C基因组）、雷蒙德氏棉（D基因组）、异常棉（B基因组）、司笃克氏棉（E基因组）等6个野生棉渐渗后代的22个种质系利用SSR标记进行基于高密度分子图谱的全基因组扫描,发现中遗红9种质系中存在比克氏棉特异的NAU 2628、NAU 2186、NAU 2627、NAU 2620标记的DNA片段,位于陆地棉D7染色体上,长度为1.6cM。为野生棉DNA片段在栽培棉背景中的遗传效应研究提供了可能。6.通过对异常棉、辣根棉、雷蒙德氏棉与陆地棉种间杂交后代连续定向的纤维品质选择,培育出了一系列的纤维细、长、强的高品质棉花新种质,成为高品质育种的种质基因库和基因组学研究的重要资源。J415等10个种质系,其纤维长度都达到35mm,纤维比强度均在40cN/tex以上,马克隆值在3.6-4.2之间。在上述三个野生棉渐渗后代中,以异常棉后代的纤维品质最优;其次为辣根棉后代种质系;再次为雷蒙德氏棉后代种质系。纤维品质远优于陆地棉常规品种。7.以高品质的异常棉渐渗系J381和J415为母本,分别与苏棉12杂交,开展亲本P1、P2,杂种F1,回交后代B1、B2等6个世代纤维品质性状偏相关分析。结果表明,有7个性状在所有世代均表现出一致的极显著相关,即长度、整齐度、比强度、反射率、黄度等两两间呈极显著负相关,与马克隆值、纺纱均匀性指数均为极显著正相关;马克隆值与纺纱均匀性指数间为极显著负相关。8.利用野生种异常棉渐渗后代获得的高品质种质系J381和J415为材料,分别与推广品种苏棉12号杂交,构建了亲本P1、P2、F1、B1、B2等六个世代群体,采用盖钧镒等提出的主基因-多基因遗传模型进行纤维品质的遗传分析。结果表明:（1）纤维长度存在1对主效基因,多基因的遗传率较高,F2世代多基因的遗传率分别为34.34%和32.98%;（2）纤维强度存在2对主效基因,其遗传率较高,F2的主基因遗传率分别30.42%和38.77%;（3）马克隆值存在1对主效基因,F2的主基因遗传率仅为0.41%和0.15%。9.利用BSA法,对J415×苏棉12的F2群体及其F2:3群体根据纤维长度、强度、马克隆值、整齐度建立了4个极端值库,经单标记分析,获得了与纤维强度QTL密切相关的SSR标记4个,所解释的表型变异为3.0-9.2%,与纤维长度OTL密切相关的SSR标记4个,所解释的表型变异为4.5-18.3%,与纤维长度整齐度QTL密切相关的SSR分子标记6个,所解释的表型变异为5.2-11.6%。10.采用从J415中筛选获得的与强度紧密连锁的分子标记,对（苏棉12号xJ415）F2:4群体,同时采用NAU1125和NAU1336两个强度QTL标记进行强度选择,结果纤维比强度可提高3.9 cN/tex,获得了05-342、05-343、05-344和05-352等4个高强优异种质系,连续三年平均比强度均在37.2 cN/tex以上,最高的达42.8 cN/tex。

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摘要

ABSTRACT

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第一篇文献综述

第一章棉属分类、起源与进化分子生物学研究进展

1 棉属分类

1.1 形态分类阶段

1.2 细胞学分类阶段（根据染色体数目进行分类）

1.3 细胞遗传学分类阶段（根据染色体配对结合地理分布进行分类）

1.4 棉属分类进展

1.4.1 棉属种的分类

1.4.2 棉属栽培种内的生态类型分类

2 棉属起源与进化的分子生物学研究进展

2.1 棉属的系统进化研究

2.1.1 棉属系统发生

2.1.2 棉属起源时间

2.1.3 棉属的基因交流

2.1.4 染色体组基数

2.2 异源四倍体棉花基因组起源机制的研究进展

2.2.1 异源四倍体棉起源的时间

2.2.2 异源四倍体棉起源和地理分布

2.2.3 异源四倍体棉起源的供体

2.3 异源四倍体棉花基因组进化机制的研究进展

2.3.1 基因组的相互作用

2.3.2 多倍体重复基因的进化

2.3.3 共存于多倍体基因组中基因的不等进化

2.3.4 多倍性重复基因的表达和沉默

2.3.5 异源多倍体对纤维等性状相关基因演化影响

第二章棉属种间杂交育种及种间渐渗系研究进展

1 棉属野生种的育种潜力

1.1 提高丰产性

1.2 改良纤维品质

1.3 提高抗病性

1.4 提高抗虫性

1.5 提高抗逆性

1.6 培育细胞质雄性不育系

1.7 选育种子无腺体/植株有腺体棉花新类型

1.8 选育带有苞叶早落基因的棉花新品种

1.9 杂交不亲和性育种

2 棉花种间杂交育种的障碍

2.1 种间杂交的不亲和性

2.1.1 配子的不亲和性

2.1.2 合子的不亲和性

2.2 种间杂种F1的不育性

3 棉花种间杂交育种障碍的克服

3.1 种间杂交不可交配性的克服

3.2 种间杂种F1不育性的克服

3.2.1 直接回交法

3.2.2 异源多倍体法

3.3 杂种后代的疯狂分离及其克服

3.3.1 杂种后代的疯狂分离

3.3.2 杂种后代疯狂分离的克服

4 棉花种间杂交育种技术体系研究进展

4.1 异源四倍体途径

4.2 异源六倍体途径

4.3 体细胞杂交途径

5 利用野生棉创造棉花特异种质的研究进展

5.1 抗病棉花种质的培育

5.2 高品质纤维棉花种质的培育

5.3 抗虫棉花种质的培育

5.4 陆地棉-野生棉染色体附加系的培育

5.5 种子无腺体/植株有腺体种质的培育

5.5.1 栽培棉与与澳洲野生棉种间杂交的研究

5.5.2 种子腺体延缓发生基因与棉株棉酚含量的关系

5.5.3 种子腺体延缓发生基因的遗传研究

5.5.4 种子腺体延缓发生材料的细胞遗传研究

5.5.5 澳大利亚野生棉与栽培种后代的分子标记跟踪

5.5.6 含有澳大利亚野生棉种子腺体延缓发生基因的分子细胞遗传

6 棉属种间杂交育种进展

6.1 纤维品质育种

6.2 高产育种

6.3 抗病育种

7 棉属种间杂交及种间渐渗系研究进展

7.1 细胞学鉴定

7.2 同工酶鉴定

7.3 DNA分子鉴定

7.4 分子细胞遗传鉴定

8 本研究的目的、意义

8.1 棉花种间杂交障碍的克服

8.2 创造棉花高品质纤维种质系

8.3 野生棉渐渗系中野生棉遗传物质的分子检测

8.4 源于异常棉渐渗的陆地棉种质系纤维品质性状的遗传研究和相关性分析

第二篇研究报告

第三章棉花种间杂交育种障碍的克服

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

1.2.1 野生棉的繁殖

1.2.2 棉属的种间杂交

2 结果与分析

2.1 野生种的繁殖

2.2 种间杂交不可交配性的克服

2.3 种间杂种F1的形态特征

2.4 三倍体种间杂种F1的不育性克服

3 讨论

3.1 种间杂交的难易程度与亲缘关系

3.2 克服棉花种间杂交不育性的方法

第四章棉花种间杂种的细胞遗传研究、分子细胞遗传鉴定及野生棉种渐渗种质的分子标记鉴定

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 棉属种间关系的细胞遗传研究

1.1.2 棉花种间杂种染色体组的分子细胞遗传鉴定

1.1.3 野生棉种渐渗系中野生棉的外源染色体或DNA片段的分子标记鉴定

1.2 方法

1.2.1 棉属种间关系的细胞遗传研究

1.2.2 棉花种间杂种染色体组的分子细胞遗传鉴定

1.2.3 渐渗系基因组中野生棉外源DNA片段的SSR标记鉴定

2 结果与分析

1 PMC减数分裂中期I的染色体行为'>2.1 种间杂种F₁PMC减数分裂中期I的染色体行为

1的染色体行为'>2.1.1 二倍体栽培棉与二倍体野生棉之间杂种F₁的染色体行为

1的染色体行为'>2.1.2 四倍体栽培棉与二倍体野生棉之间杂种F₁的染色体行为

1'>2.1.3 海岛棉与四倍体野生种黄褐棉的种间杂种F₁

2.2 棉花种间杂种染色体组的分子细胞遗传鉴定体系的创建

2.2.1 染色体制片的准备

2.2.2 探针的标记

2.2.3 棉花GISH技术体系的建立

2.2.4 棉花多色GISH技术体系的建立

2.3 棉花种间杂种染色体组的分子细胞遗传鉴定

2.4 渐渗系基因组中野生棉外源DNA片段的SSR标记鉴定

3 讨论

3.1 基于细胞遗传的棉属种间关系分析

3.2 基于分子细胞遗传的野生棉外源染色体或DNA片段的检测

3.3 基于DNA分子标记和高密度分子遗传图谱的外源DNA渐渗片段检测

第五章野生棉种渐渗的优质棉种质创新及其遗传研究

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

1.2.1 野生棉种渐渗的优质棉种质创新

1.2.2 野生棉种渐渗的优质棉种质系纤维品质性状的遗传分析

1.2.3 野生棉种渐渗的优质棉种质系纤维品质性状的偏相关分析

1.2.4 与品质QTL相关的SSR标记筛选

2 结果与分析

2.1 野生棉种渐渗的优质棉种质创新

2.1.1 纤维品质的平均数

2.1.2 纤维品质的变异幅度

2.1.3 纤维品质的分布

2.1.4 已育成的高纤维品质优异种质系

2.2 野生棉种渐渗的优质棉种质系纤维品质性状的偏相关分析

2.2.1 不同世代的纤维品质性状的平均表现

2.2.2 纤维品质性状间的偏相关关系

2.2.3 纤维品质性状间的偏相关关系与人工选择的关系

2.3 野生棉种渐渗的优质棉种质系纤维品质性状的遗传分析

2.3.1 六个世代的纤维品质频率分布

2.3.2 纤维品质性状的遗传

2.4 源自异常棉渐渗的陆地棉种质系J415纤维品质QTL相关的SSR标记筛选与标记辅助选择

2.4.1 陆地棉种质系J415纤维品质QTL相关的SSR标记筛选

3 讨论

3.1 偏相关和简单相关

3.2 纤维性状间的相关与连锁遗传

3.3 控制纤维品质性状的主基因存在普遍性

3.4 纤维品质改良的技术

3.4.1 育种中纤维性状不利相关的打破

3.4.2 纤维品质 QTL分子标记的筛选与分子标记辅助选择

3.4.3 与纤维高品质有关基因的分离与克隆

全文结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

本研究获得资助项目

致谢

野生棉种渐渗创新的优质棉种质及其遗传研究

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