棉花纖維品質QTL定位研究進展

葉泗洪　吳德祥　路曦結　添長久　潘宗瑾　楊華　吳春

摘要：為了倡導我國棉花生產以中高端品質為主，破解“洋棉入市、國棉入庫”的困境，通過查閱資料和課題調研，綜述了我國棉花產業(yè)行情、棉花纖維品質現狀、棉花分子標記種類和棉花纖維品質QTL初級定位、QTL精細定位及相關研究進展，旨在促進棉花分子育種、基因組選擇研究的提升。

關鍵詞：棉花；分子標記；QTL定位；纖維品質

中圖分類號： S562 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3143（2017）01-0002-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2017.01.001

0 引言

棉花是世界上第一大纖維作物和第二大油料作物。中國不但是一個產棉大國，也是用棉大國，棉花生產在國民經濟中具有極其重要的地位。隨著紡紗工業(yè)技術的不斷革新，對棉纖維品質的要求也在不斷提高，優(yōu)質成為棉花育種的新目標[1]。棉花品質性狀屬于數量性狀，其表現型是基因型與環(huán)境共同作用的結果；因此對數量性狀的遺傳操縱能力決定了作物育種的效率[2]。近年來，生物技術的發(fā)展為作物性狀改良提供了新的途徑，通過轉基因或分子標記輔助選擇技術，可從分子水平上操作目標基因，實現對目標性狀的改良[3-5]。

農業(yè)部纖維檢測中心（安陽）唐淑榮，等[6-7]對三大棉區(qū)纖維品質進行調查，提出我國棉花比強度有待進一步提高，同時棉花纖維品質結構需優(yōu)化升級。2016年11月28日，由中國農業(yè)科學院主辦，中國農業(yè)科學院棉花研究所、新疆生產建設兵團第七師、新疆生產建設兵團第一師、新疆昌吉國家農業(yè)科技園區(qū)管委會、江蘇聯發(fā)集團股份有限公司和河南永安紡織有限公司等單位聯合承辦的國家棉花產業(yè)聯盟成立大會在北京召開。國家棉花產業(yè)聯盟的發(fā)展目標是通過科研—生產—加工—流通—紡織等全產業(yè)鏈的通力合作，探索建立棉花生產供給新模式，改變傳統(tǒng)的“小而分散”生產方式，推動棉花產業(yè)供給側結構性改革，引領棉產業(yè)向“中高端品質”發(fā)展，提升我國棉花產業(yè)水平和國際競爭力。聯盟的成立對于我國棉花產業(yè)的一大積極影響在于：聯盟的形式有利于沖破原有產業(yè)鏈體制機制的桎梏，有利于打破我國棉產業(yè)由來已久的“生產跟科研分割”、“生產跟加工、流通分割”的尷尬局面。當前我國棉花種植業(yè)面臨“地板升高而天花板下壓”的困境，國際競爭力不強，亟需提質增效、轉型升級，聯盟以全國涉棉產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新之力，瞄準棉花產業(yè)的重大問題，促進我國棉產業(yè)高質量發(fā)展。國家棉花產業(yè)聯盟理事長、中國農業(yè)科學院棉花研究所所長李付廣說：我國每年花260億元補貼棉花生產，卻面臨“洋貨入市、國貨入庫”的困局。紡織企業(yè)不愿用國產棉并非崇洋媚外，而是國產棉的生產與需求嚴重脫節(jié)，高等級棉嚴重短缺，低等級棉嚴重過剩，臨時收儲政策又成了棉花品質下降的“催化劑”，因此，要力爭用5～10年的時間，在我國主產棉區(qū)打造出33.3萬～66.7萬hm2、產能60～120萬噸的中高端品質原棉生產基地（相當于1～2個澳大利亞的棉花產能規(guī)模）。

1 分子標記研究進展

分子標記發(fā)展經過第一代（RFLP為代表）、第二代（SSR為代表）及第三代（SNP為代表）的發(fā)展歷程。與AFLP、RFLP、RAPD和SSR標記相比，SNP （ Single nucleotide polymorphism） 即單核苷酸多態(tài)性，具有密度高、代表性強、遺傳穩(wěn)定性好和易于實現自動化分析檢測等優(yōu)點，現已廣泛應用于植物遺傳連鎖圖譜構建、生物物種起源與親緣關系以及生物多態(tài)性的研究等方面。同時SNP標記的發(fā)展促進了關聯分析、遺傳圖譜、基因定位等對植物復雜數量性狀的遺傳研究。研究證明：多數SNP變異與基因功能密切相關，通過關聯分析可以發(fā)掘這些功能型位點變異并應用于作物遺傳育種。隨著SNP 研究的迅猛發(fā)展，以及基因芯片技術和第二代、第三代高通量測序技術的發(fā)展，自動化程度更高的第三代SNP 標記已迅速取代SSR、RFLP 等傳統(tǒng)標記，在模式動植物和重要農作物中將發(fā)揮著越來越重要的作用[8]。四倍體陸地棉全基因組測序[9-10]的完成為棉花基因組分析提供了參考序列、發(fā)掘功能基因并開發(fā)相應的功能標記。韓治國，等[11]根據已發(fā)表的亞洲棉FIF1基因，設計特異引物，克隆了陸地棉和海島棉中的FIF1基因，并將該基因定位在四倍棉花遺傳圖譜上。Robert，等[12]開發(fā)了四倍體棉花的SNP標記，并進行了定位。Wang，等[13]利用GBS測序構建包含499萬個SNP位點覆蓋4024 cM的棉花遺傳圖譜。但棉花基因組測序、轉錄組測序、小RNA測序等技術興起后，產生的大量序列資源和新的SNV突變位點，加之SNP技術的諸多優(yōu)點，因此，探索、突破SNP標記開發(fā)及檢測體系至關重要，應用前景會非常廣闊。

2 棉花纖維品質QTL初級定位

棉花品質性狀屬于數量性狀，其表現型是基因型與環(huán)境共同作用的結果；因此對數量性狀的遺傳操縱能力決定了作物育種的效率。傳統(tǒng)育種為棉花纖維品質的改良發(fā)揮了重大作用，但進度相對較慢、效率較低；近年來，生物技術的發(fā)展為作物性狀改良提供了新的途徑，通過轉基因或分子標記輔助選擇技術，可從分子水平上操作目標基因，實現對目標性狀的改良。有必要通過數量基因座（quantitative trait locus， QTL）的定位，分子標記輔助選擇，候選基因的鑒定篩選等分子手段提高棉花纖維品質改良的效率。

纖維強度是棉花主要的品質性狀，前人利用不同的群體定位了許多關于纖維強度的QTL。Chuanfu An，等[14]利用陸陸雜交組合MD17/FM966 F2檢測到1個控制纖維強度QTL，位于第16染色體上，標記能解釋的表型變異為11.1%。孫福鼎，等[15]利用陸陸雜交組合0-153/sGK9708的F2、F2：3和重組自交系三個世代，重復檢測到控制纖維強度QTL中有2個，分別被定位在第7和25染色體上，所得標記解釋的表型變異為14.25%～27.86%。張正圣，等[16]應用陸陸雜交組合T586/Yumian1的重組自交系群體檢測到2個控制纖維強度QTL，位于第6和第7染色體上，所得標記解釋的表型變異為10.2%～31.8%。賀道華，等[17]利用陸陸雜交組合Handan208/Pima90的F2分離群體，檢測到3個纖維強度QTL，分別位于A02和第23染色體上，所得標記解釋的表型變異為15.26%～37.12%。沈新蓮，等[18]利用陸陸雜交組合7235/TM-1的重組自交系群體，檢測到7個控制纖維強度的QTL，分別位于A10、D7、D9、D6和D8染色體上，所得標記解釋的表型變異為4.31%～16.15%。Russell J，等[19]利用陸海雜交組合TM-1/3-79的F2分離群體，檢測到4個控制纖維強度的QTL，分別位于染色體3b、14b、15a和25b上，共計解釋35%表型變異。Shappley，等[20]利用陸陸雜交組合HS46/MARCABUCAG8US-1-88的F2分離群體，檢測到7個控制纖維強度的QTL。Jiang，等[21]利用陸海雜交組合CAMD-E/seabery的F2分離群體，檢測到3個控制纖維強度的QTL。Wang，等[22]利用達爾文氏棉和4個栽培品種雜交，獲得一套導入系，再利用已發(fā)表的海陸群體圖譜上錨定的SSR標記進行纖維品質QTL定位，結果表明其中的40個標記和纖維品質相關，解釋表型變異平均為6.31%。Yu，等[23-24]用海陸回交自交系群體在兩個環(huán)境中同時檢測到了一個控制纖維強度的穩(wěn)定QTL，位于11號染色體上，解釋表型變異為14.95%。Cao，等[24]利用一套染色體片段置換系，將纖維強度、比強度、馬克隆值等QTL導入新疆棉花品種新陸早26號、新陸早41號、新陸早42號中去。以上研究結果為研究纖維強度QTL在棉花基因組上分布特點以及通過分子標記輔助育種創(chuàng)制新材料奠定了基礎。

3 棉花纖維品質QTL次級定位

棉花纖維品質性狀方面，研究者開展了很多QTL定位工作。但大多是利用初級群體進行QTL定位，通常存在幾個問題：①精確度不高，定位缺乏準確性，無法區(qū)分目標區(qū)段是一個效應較大的基因還是一簇緊密連鎖的效應較小的QTL[26-27]；②遺傳率較低，對表型效應貢獻較少的QTL常常不能被準確鑒定出來[28]；③背景噪聲對QTL定位的精確性產生較大的影響[29]。為了克服初級群體在QTL上的缺點，提高QTL定位的準確性，從而發(fā)展了次級分離群體。染色體片段導入系是目前棉花上應用最為廣泛的次級群體之一，除目標基因所在座位的局部區(qū)域外，基因組其余部分都是相同的，在這樣的材料間找到的多態(tài)性標記才可能與目標基因緊密連鎖，是QTL精細定位和圖位克隆的一類理想材料[30]。

為了克服初級群體在QTL上的缺點，提高QTL定位的準確性，從而發(fā)展了次級分離群體。染色體片段導入系是目前棉花上應用最為廣泛的次級群體之一，除目標基因所在座位的局部區(qū)域外，基因組其余部分都是相同的，在這樣的材料間找到的多態(tài)性標記才可能與目標基因緊密連鎖，是QTL精細定位和圖位克隆的一類理想材料。Paterson，等[31-32]利用回交群體將番茄幾個重要性狀的QTL定位在大約20 cM的區(qū)段內，通過選擇性地構建了QTL-NIL，用代換作圖法將這些QTL進一步定位在3 cM內的區(qū)段。Yamamoto，等[33]利用小麥抽穗期QTL，Hd1、Hd2、Hd3分別建立了單個QTL的次級分離群體，將這3個QTL都分解為單個孟德爾因子，并進行了精細定位。Su，等[34]利用758個棉花海陸置換系精細定位了1個控制纖維強度的QTL QFS D11-1，位于棉花第21染色體上，解釋表型變異為35.8%，和分子標記NAU2950緊密連鎖、遺傳距離為0.6 cM。利用染色體片段導入系對QTL進行精細定位后，就能進一步對QTL進行克隆。

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