棉花纤维长度、油份和株高性状QTL定位及候选基因鉴定

1、棉花纤维长度、油份和株高性状QTL定位及候选基因鉴定棉花是最重要的纤维作物, 同时也是主要的油料作物。随着人们对纺纱、棉籽油利用及棉花机械化收获等要求的不断增加, 培育纤维长、油份高和株型好的新品种成为当前棉花育种的主要目标。利用分子标记辅助选择育种可以更加高效准确的改良目标性状。棉花中 RFLP、AFLP和 SSR等分子标记的利用在一定时期内对棉花分子育种起到促进作用。但由于特异标记少、标记密度小, 以上标记已无法满足当今科研的需求。随着高通量测序技术的发展, 高密度 SNPs标记已经在棉花起源进化、种群分类、全基因组关联分析、遗传图谱构建、相关性状的 QTL定位及基因挖掘等研究中被广泛应用

2、。本研究利用棉花63KIllumina SNP芯片和 SLAF-seq 高通量分子标记开发技术分别对陆地棉群体和陆海回交自交系群体进行测序, 并对自然群体的动态纤维长度和油份含量性状及陆海回交自交系群体的株高性状进行QTL定位 ,为进一步挖掘、鉴定影响相关性状的的候选基因奠定基础, 具体结果如下 :1 、通过对 83 份陆地棉材料的 10、15、20、25 DPA（day post anthesis ）和成熟时期纤维长度进行连续 3 年两重复测定 , 发现从 10DPA到成熟期纤维长度变异系数分别为11.29%,10.09%,7.56%,7.69%和 6.45%。此外 , 五个动态发育时期纤维

3、长度性状遗传力分别为49.14%,47.56%,60.63%,71.06%和 92.45%。以上数据显示该群体纤维发育前期的长度变异较大、遗传力较低, 说明纤维发育前期易受环境影响 ; 而成熟期纤维长度遗传力为 92.45%,说明棉花纤维最终的长度主要受基因型控制。 2、利用 63K Illumina SNP 芯片对 83 份陆地棉材料进行基因型分析 , 获得 15,369 个多态性 SNP,结合开花后 10、15、20、25 DPA和成熟时期纤维长度性状数据进行GWAS分析, 分别得到25,38,57,89和 88 个显著相关的 SNPs位点 ,SNPs位点对表型解释率11.06%-60.0

4、1%。进一步分析发现有60 个 SNPs在至少两个发育时期和两个环境中能被同时检测到, 其中 13 个 SNPs位点所属的相关QTL区间在本文首次发现 , 该结果表明利用动态纤维长度性状能得到了一些新的相关 QTL;另外 47 个 SNPs所属 QTLs区间与前人研究区间相重叠、说明该试验结果的可靠性。本研究发现较多新的QTLs,表明在不同的遗传背景可能有新的控制纤维长度性状的等位基因或位点。结合长短纤维材料不同发育时期纤维的RNA-seq和 qRT-PCR数据筛选纤维长度 QTLs区间内候选基因 , 鉴定出与纤维长度相关的烷烃羟化酶GhMAH1基因。通过 VIGS技术使 GhMAH1基因在陆

5、地棉材料Msco-12纤维中的表达量平均降低了90.68%,结果使该材料平均纤维长度较对照降低了 3.27 mm。说明 ,GhMAH1基因可能参与纤维伸长。3、经测定和统计分析 83 份陆地棉材料 4 个环境的油份含量数据, 发现该群体不同环境的油份含量变异系数为13.60%-22.03%,遗传力为 90.74%。说明群体材料间油份含量差异较大 , 且油份性状主要受基因型控制。通过对该群体 4 个环境油份性状及其 BLUPs进行 GWAS分析 , 共得到在至少 3 个环境中均能检测到的 53 个 SNPs,其中有 25 个 SNPs所属的 7个 QTLs区间与前人的棉花油份含量 QTL区间相重

6、叠。进一步分析发现 qOC-Dt5-1 区间中包含最多的 9 个显著的 SNPs位点 , 且该区间与前人研究结果重叠。结合高低油材料不同发育时期胚珠的RNA-seq和qRT-PCR数据 , 从 qOC-Dt5-1 区间内筛选出过氧化物酶基因GhPRXR1与油份含量相关。过表达 GhPRXR1基因使 3 个阳性酿酒酵母菌株油脂含量较对照分别提高了20.01%,34.79%和 37.25%;通过 VIGS技术使GhMAH1基因在陆地棉材料Msco-12 胚珠中的表达量平均降低了31.96%,导致种子油份含量较对照平均下降了18.11%。说明 ,GhPRXR1基因可能参与油脂合成。 4、以陆地棉中棉

7、所36 为轮回亲本和海岛棉材料海 7124 杂交构建 BC1F7群体 , 采用SLAF-seq 技术对亲本以及250 个子代进行测序。亲本中棉所36 和海7124 分别获得 468,850 和 500,626 个 SLAFs标签 , 测序深度分别为25.03 和 21.20 , 基因组覆盖率为 5.46%和 5.81%;子代平均获得 352,920 个 SLAFs标签 , 平均测序深度和基因组覆盖度分别为 11.12 和 4.14%。通过筛选 , 本试验构建了包含 7,709 个高质量 SNP标记 , 总图距为 3343.24 cM, 平均标记间距为 0.67cM 的遗传图谱。 5、对该群体 7 个环境的株高性状进行测定 , 发现该群体株高性状变异系数为13.03%-21.42%, 遗传力为 88.01%,说明该群体材料间株高差异较大 , 且主要受基因型控制 ; 此外比较亲本与子代株高性状 , 发现该群体株高性状存在超亲分离现象。本试验对7 个环境的株高性状及其BLUPs进行 QTL定位 , 共得到 10 个株高性状相关的QTLs,对表型的解释率为4.91%-14.92%。其中 4 个 QTLs在多个环境中能被同时检测到。结合不同组织部位的 RNA-seq和 qRT-PCR数据 , 从以上 4 个稳定的 QTLs区间内筛选出生长素转运蛋