棉花功能基因圖位克隆的研究進(jìn)展

臧新山，王康文，張先亮，王雪平，王軍，梁雨，裴小雨，任翔，呂宇龍，高宇，王星星，彭云玲，馬雄風(fēng),,4

棉花功能基因圖位克隆的研究進(jìn)展

臧新山1,2,4，王康文1,3，張先亮1,2，王雪平1，王軍1，梁雨1，裴小雨1，任翔1,2，呂宇龍1,2，高宇1，王星星1，彭云玲3，馬雄風(fēng)1

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，河南安陽 455000；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院西部農(nóng)業(yè)研究中心，新疆昌吉 831100；3甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室/甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州 730070；4鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，鄭州 450001

圖位克隆是鑒定特定表型變異遺傳基礎(chǔ)的經(jīng)典有效策略。棉花功能基因圖位克隆，對育種工作者創(chuàng)新利用種質(zhì)資源、培育和定向設(shè)計新品種、提高育種效率有重要指導(dǎo)作用。近年來，隨著雷蒙德氏棉、亞洲棉、陸地棉和海島棉等基因組測序的完成和不斷完善，基因的物理位置信息已知，省去了篩選基因組文庫和構(gòu)建候選區(qū)段物理圖譜的過程，棉花功能基因圖位克隆研究進(jìn)入快速發(fā)展期。2016年，利用正向遺傳學(xué)方法首次圖位克隆了陸地棉顯性無腺體Gl（），目前已有20個質(zhì)量性狀基因和5個數(shù)量性狀基因通過圖位克隆策略鑒定。本文從基因符號、名稱、染色體定位、候選基因等方面系統(tǒng)綜述棉花纖維、腺體、蜜腺、葉型、株型、植株顏色、育性等性狀相關(guān)圖位克隆基因；并從圖位克隆作圖群體和集團(tuán)分離分析法測序（bulked segregate analysis-sequencing，BSA-seq）應(yīng)用等方面系統(tǒng)綜述圖位克隆策略。隨著基因組測序技術(shù)的升級、測序成本的降低、BSA-seq等新方法的應(yīng)用，圖位克隆發(fā)展更加快速準(zhǔn)確。利用轉(zhuǎn)基因和基因組編輯技術(shù)對基因功能開展全面系統(tǒng)的鑒定評價，將為棉花分子設(shè)計育種提供理論基礎(chǔ)和基因資源，加快棉花遺傳改良進(jìn)程。

棉花；圖位克?。环肿訕?biāo)記；作圖群體；BSA-seq

0 引言

棉花是重要的天然纖維作物，也是重要的油料作物，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。圖位克隆是鑒定特定表型變異遺傳基礎(chǔ)的經(jīng)典有效策略，從表型變異入手，通過組配遺傳群體、精細(xì)定位引起表型變異的染色體片段，并克隆候選基因，屬于正向遺傳學(xué)研究。棉花功能基因定位和圖位克隆研究為棉花分子設(shè)計育種提供了基因資源。

棉花基因組學(xué)的快速發(fā)展為棉花功能基因圖位克隆奠定了堅實基礎(chǔ)。2012年，棉花雷蒙德氏棉D(zhuǎn)基因組全基因組測序完成[1-2]。2014年，亞洲棉全基因組測序完成[3]。2015年，異源四倍體陸地棉品種TM-1[4-5]、海島棉品種3-79和Xinhai21全基因組測序完成[6-7]。近年來，隨著三代測序技術(shù)的不斷發(fā)展完善，亞洲棉、陸地棉和海島棉基因組不斷完善，并且多個陸地棉栽培品種的基因組也相繼組裝完成[8-11]。隨著棉花參考基因組測序數(shù)據(jù)的陸續(xù)公布，棉花圖位克隆研究取得新突破，并發(fā)展迅速。

棉花功能基因圖位克隆研究相對于主糧作物研究滯后，直至2016年，陸地棉腺體Gl首次被圖位克隆鑒定[12]。因為陸地棉和海島棉基因組是復(fù)雜的異源四倍體（AADD，包括2個亞基因組（At和Dt）），所以高質(zhì)量參考基因組發(fā)布較晚。本文從棉花質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀基因的圖位克隆及策略方面綜述纖維、腺體、蜜腺、葉型、株型、植株顏色、育性等性狀的研究進(jìn)展。

1 棉花基因的圖位克隆與功能分析

1.1 質(zhì)量性狀基因的圖位克隆與功能分析

質(zhì)量性狀一般受1—2個主效基因控制，遺傳基礎(chǔ)簡單，雜交F2群體分離，呈明顯的不連續(xù)變異。迄今，棉花中已有20個質(zhì)量性狀基因被圖位克?。ū?）。

1.1.1 纖維 棉花纖維是紡織工業(yè)最重要的天然原料，分為長絨（Lint）和短絨（Fuzz）。軋花時，從種子上軋下來的是長絨，留在種子上的是短絨[13]。目前，已有光籽（N）、李氏無纖維（Li和Li）和纖維顏色（Lc）等纖維性狀相關(guān)基因被克隆。

光籽：2016年，Wan等[14]克隆了陸地棉顯性光籽N——，為MYB類轉(zhuǎn)錄因子家族成員。在突變體N中極低表達(dá)，與天然反義轉(zhuǎn)錄本（natural antisense transcripts，NAT）產(chǎn)生相關(guān)，的mRNA可能與NAT形成dsRNA，進(jìn)而影響纖維發(fā)育，這是棉花中第一個通過圖位克隆方法鑒定到的纖維發(fā)育調(diào)控基因。

李氏無纖維：2017年，Thyssen等[15]克隆了顯性李氏無纖維基因Li——，其第65個氨基酸由甘氨酸（Glycine，Gly）突變?yōu)槔i氨酸（Valine，Val），影響了棉花細(xì)胞骨架和極性生長，導(dǎo)致無纖維表型。2018年，Wu等[16]克隆了調(diào)控纖維起始的隱性基因Li——，為MIXTA類家族成員，在726 bp處由堿基胞嘧啶（Cytosine，C）突變?yōu)橄汆堰剩ˋdenine，A），導(dǎo)致無纖維表型。

纖維顏色：2018年，Yan等[17]克隆到顯性棕色纖維基因Lc——，為TRANSPARENT TESTA 2（TT2）家族成員，調(diào)控磷脂酸的生物合成與纖維著色。

1.1.2 腺體 腺體是棉屬植物特有的形態(tài)特征之一，在棉花的莖、葉、花、鈴等組織上均有分布。棉花腺體主要包括莖稈無腺體（gl、Gl和Gl）、有無腺體植株（Gl、Gl、Gl、Gl和gl）、無腺體植株修飾基因（gl和gl）和滲漏腺體基因（）[13]。腺體中的棉酚有利于棉花抵抗病蟲害及不良環(huán)境的脅迫，但對人畜具有毒害作用。目前，腺體相關(guān)基因Gl和gl已被圖位克隆。

2016年，Ma等[12]克隆了控制腺體有無的顯性基因Gl——，為bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族成員，是Gl和Gl的復(fù)等位基因；Gl存在時，能夠消除棉花植株的所有腺體，導(dǎo)致棉酚含量降低，這是第一個利用正向遺傳學(xué)手段圖位克隆的棉花基因。同年，Cheng等[18]也精細(xì)定位到該基因。2021年，Zang等[19]克隆了隱性莖稈無腺體基因gl——，為GRAS家族成員，主要調(diào)控棉花莖和葉柄上腺體的形成；在突變體T582中，編碼區(qū)2 009 bp處堿基胞嘧啶（C）突變?yōu)橄汆堰剩ˋ），翻譯提前終止，導(dǎo)致莖上無腺體表型。

1.1.3 蜜腺 蜜腺是植物體上一種分泌糖液的外部分泌結(jié)構(gòu)。棉花蜜腺較多，蜜腺期長，是棉花害蟲的重要食物來源。陸地棉有葉蜜腺、花蜜腺和花外蜜腺。葉蜜腺通常位于棉花葉片背面中脈上，離葉基約1 cm處，呈窩狀凹陷，窩內(nèi)有許多乳頭狀突起；以花萼為分界，花萼內(nèi)側(cè)基部的蜜腺稱為花蜜腺；而花萼外側(cè)的蜜腺稱為花外蜜腺?；ㄍ饷巯伲ǎ?、無蜜腺（ne和ne）基因已被圖位克隆。

2020年，HU等[20]克隆了亞洲棉隱性花外蜜腺基因，編碼含有PB1結(jié)構(gòu)域的蛋白，在無蜜腺突變體中，由于缺失5個氨基酸而引起蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致蛋白功能發(fā)生改變。2021年，PEI等[21]克隆了隱性無蜜腺基因GhNe和GhNe，屬于AD亞基因組上的同源基因，編碼AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員，調(diào)控花外蜜腺和花蜜腺發(fā)育。

1.1.4 葉型 植物葉片是進(jìn)行光合作用的主要場所，根據(jù)葉裂的深淺，棉屬的葉型可以分為闊葉和雞腳葉，雞腳葉又可分為超雞腳葉和亞雞腳葉。陸地棉葉型主要為闊葉，少數(shù)品種為雞腳葉或超雞腳葉；海島棉葉片一般為三至五裂，葉型多數(shù)為海島型雞腳葉，也存在少數(shù)闊葉。雞腳葉基因位點上有多個不完全顯性等位基因，主要包括雞腳葉L、超雞腳葉L、亞雞腳葉L、海島棉葉L等。

2016年，ZHU等[22]克隆了調(diào)控葉型的復(fù)等位基因L——，為同源異型-亮氨酸拉鏈（HD-Zip）轉(zhuǎn)錄因子家族成員；與雞腳葉材料相比，闊葉材料有8 bp的缺失，翻譯提前終止，出現(xiàn)闊葉表型。同年，CHANG等[23]也克隆了L。2017年，ANDRES等[24]克隆了調(diào)控葉型的基因-D——，發(fā)現(xiàn)雞腳葉葉型棉花的啟動子存在133 bp的串聯(lián)重復(fù)，表達(dá)量上升；闊葉葉型棉花的第3個外顯子存在8 bp的缺失，翻譯提前終止。

1.1.5 株型 棉花株型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有無限生長、營養(yǎng)生長和生殖生長重疊等特點。棉花分枝分為營養(yǎng)枝和果枝，營養(yǎng)枝在主莖的下部著生，果枝在主莖的上部著生。

2018年，SI等[25]克隆了隱性叢生鈴基因Cl——，與番茄（）同源，其811 bp處的胞嘧啶（C）突變?yōu)樾叵汆奏ぃ═hymine，T），導(dǎo)致第113位氨基酸從脯氨酸（Proline，Pro）突變?yōu)榻z氨酸（Serine，Ser），出現(xiàn)零式果枝表型。同年，LIU等[26]克隆了隱性短果枝基因——，與棉花生長習(xí)性和叢生鈴形成相關(guān)。2020年，CHEN等[27]克隆了隱性柱頭外露ob——，在陸地棉中，它存在1 783 bp的缺失，導(dǎo)致第3個外顯子丟失；在海島棉（3-79）中，它的第3個外顯子存在8 bp缺失，導(dǎo)致出現(xiàn)柱頭外露表型。

1.1.6 植株顏色 棉花植株的顏色主要包括葉綠素缺失或改變導(dǎo)致的持久性的顏色變化和芽黃。棉花植株一般為綠色，也包括紅株R、亞紅株R和矮紅株R。長期以來，紅色植株一直作為形態(tài)學(xué)標(biāo)記應(yīng)用于棉花遺傳研究，而且紅色植株相比綠色植株的抗蟲性更好。芽黃是優(yōu)良的指示性狀，在棉花雜種優(yōu)勢利用中被棉花育種工作者重視；多數(shù)芽黃突變體在苗期表現(xiàn)明顯，子葉或真葉呈不同程度的黃色，后期逐漸轉(zhuǎn)為綠色。

2017年，ZHU等[28]克隆了隱性芽黃基因v——，編碼鎂離子螯合酶，在AAA+保守區(qū)域存在1個位點突變，即第360位氨基酸由精氨酸（Arginine，Arg）突變?yōu)橘嚢彼幔↙ysine，Lys），進(jìn)而導(dǎo)致芽黃表型。2018年，MAO等[29]也克隆了該基因。2019年，LI等[30]克隆了顯性紅株基因R——，為R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子家族成員，通過調(diào)控花青素合成途徑相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)花青素合成。

1.1.7 育性 雜種優(yōu)勢利用是提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增強(qiáng)抗性的重要途徑。棉花具有明顯的雜種優(yōu)勢，雄性不育是雜種優(yōu)勢利用的有效途徑。棉花雄性不育系主要有核雄性不育系、質(zhì)核互作型雄性不育系和光溫敏感型不育系3種類型。

2019年，DENG等[31]克隆了Le——，是造成海島棉和陸地棉雜交種致死的關(guān)鍵基因。2022年，MA等[32]克隆了雙隱性核不育系基因——/，基因編碼區(qū)突變導(dǎo)致酶催化活性喪失，當(dāng)2個基因都突變時，出現(xiàn)不育表型。同年，WU等[33]克隆了隱性核不育恢復(fù)基因，在耐高溫棉花花藥中受高溫誘導(dǎo)提前表達(dá)，而在高溫敏感材料花藥中不受高溫誘導(dǎo)，影響花粉外壁和花粉刺突的正常形成。

1.1.8 其他性狀 類病變突變體是一種在沒有受到生物和非生物脅迫下，植物產(chǎn)生壞死病斑的突變材料。2017年，CHAI等[34]克隆了單隱性類病變突變體基因，編碼5-氨基乙酰丙酸脫水酶（ALAD蛋白），可以增強(qiáng)對黃萎病的抗性。

花冠顏色是棉花重要的顯性形態(tài)標(biāo)記，將紅色花冠作為性狀標(biāo)記為轉(zhuǎn)基因抗蟲雜交棉帶上天然防偽標(biāo)簽。2022年，CHAI等[35]克隆了顯性紅色花瓣基因R——，編碼谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST），bZIP轉(zhuǎn)錄因子基因調(diào)控，且特異性結(jié)合陸地棉紅色花冠近等基因系啟動子，誘導(dǎo)花青素的積累，形成紅色花瓣。

花瓣的斑點、條紋可以提高傳粉昆蟲的到訪率，提升棉花三系雜交種產(chǎn)量。2022年，ABID等[36]克隆了海島棉控制花瓣基斑形成的關(guān)鍵基因，在陸地棉中，該基因的突變導(dǎo)致花瓣基斑消失；它可以直接與黃酮類物質(zhì)合成基因（、、和）啟動子結(jié)合，調(diào)控花瓣基斑的形成。

表1 棉花質(zhì)量性狀基因的圖位克隆

1.2 數(shù)量性狀基因的圖位克隆與功能分析

數(shù)量性狀屬于主基因和多基因的混合遺傳模式，受環(huán)境影響較大，其表型和基因型之間無明確對應(yīng)關(guān)系，需用度量數(shù)值來表示其表型。棉花大多數(shù)農(nóng)藝性狀（如品質(zhì)、產(chǎn)量、抗逆性和生育期等）均屬于數(shù)量性狀（表2）。

棉花纖維品質(zhì)直接關(guān)系紡織產(chǎn)品的質(zhì)量，決定了其在市場上的競爭力。2021年，ZANG等[37]克隆了控制纖維強(qiáng)度的主效QTL位點——，通過泛素26s蛋白酶體途徑降低纖維中GhSPL1蛋白含量來調(diào)節(jié)纖維螺旋生長，揭示了螺旋纖維和纖維強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。2021年，ZHANG等[38]克隆了纖維長度主效QTL位點——，其啟動子區(qū)域缺失214 bp，導(dǎo)致不能與NF-YA轉(zhuǎn)錄因子相互作用，進(jìn)而不能調(diào)控棉纖維的伸長。

鈴重是棉花重要的產(chǎn)量構(gòu)成因素，受環(huán)境因素、品種遺傳等因素影響而存在差異。2020年，AHMED等[39]克隆了調(diào)控棉花鈴重的，編碼油菜素內(nèi)酯反應(yīng)環(huán)H2蛋白，調(diào)控棉鈴發(fā)育。

黃萎?。?，VW）是一種土傳真菌病害，嚴(yán)重影響棉花生產(chǎn)。2018年，ZHAO等[40]克隆了海島棉黃萎病抗性基因和。

表2 棉花數(shù)量性狀基因的圖位克隆

2 棉花基因圖位克隆的策略

圖位克隆首先需要構(gòu)建作圖群體，通過雜交、回交和自交等方式產(chǎn)生群體后代（如F2、BC1、RIL、NIL等），并進(jìn)行遺傳圖譜構(gòu)建?；谶z傳圖譜，利用多態(tài)性分子標(biāo)記進(jìn)行目的基因初步定位，再開發(fā)多態(tài)性分子標(biāo)記對其進(jìn)行精細(xì)定位，進(jìn)而圖位克隆到候選基因。本文對圖位克隆作圖群體（表3）和BSA-seq應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

2.1 棉花圖位克隆作圖群體

利用F2群體圖位克隆到的基因主要包括Gl、1、、、v、ob、、、L、、、、和，定位群體大小分別為2 197[12]/4 530[18]、2 012[14]、763[34]、2 481[20]、2 576[28]/4 232[29]、6 137[27]、1 678[35]、1 962[32]、2 843[23]、5 780[36]、1 864[37]、1 081[38]、176[40]和176個[40]，平均群體大小為2 529個。如DONG等[41]利用BC1群體將基因Gl初步定位在分子標(biāo)記NAU3778和NAU2251b之間1 Mb的物理區(qū)間內(nèi)；在此基礎(chǔ)上，MA等[12]利用2 197個F2群體，將Gl精細(xì)定位在分子標(biāo)記w7954和w5383之間43 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在7個基因，進(jìn)而克隆了顯性無腺體基因Gl——。如ZANG等[37]利用F2群體將纖維強(qiáng)度主效QTL位點初步定位在D03染色體23.5 cM的遺傳區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步開發(fā)SSR、SNP和InDel分子標(biāo)記，將精細(xì)定位在K5219和K5221之間1.14 cM的遺傳區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)0.93 Mb的物理區(qū)間，區(qū)間內(nèi)存在23個基因，進(jìn)而克隆了——。

利用F2群體結(jié)合其他群體圖位克隆到的基因主要包括Li、/、Cl、Lc和，群體大小分別為9 330[15]、6 477[21]、2 079[25]、1 968[17]和1 904個[33]，平均群體大小為4 351個。如SI等[25]前期利用F2群體將Cl初步定位到D07染色體，進(jìn)一步利用852個F2/BC1群體將Cl精細(xì)定位在分子標(biāo)記K4918和K5833之間0.39 Mb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在13個基因，進(jìn)而克隆了隱性叢生鈴基因Cl——。YAN等[17]前期利用270個RIL群體對Lc進(jìn)行初步定位，利用1 698個F2群體進(jìn)一步將Lc精細(xì)定位到分子標(biāo)記TT2-1A和TT2-3A之間67 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在3個基因，進(jìn)而克隆了顯性棕色纖維基因Lc——。WU等[33]前期利用BSA-seq方法，將初步定位在630 kb的物理區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步利用NIL群體將精細(xì)定位到103 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在9個基因，進(jìn)而克隆了單隱性敗育恢復(fù)基因。

表3 棉花圖位克隆的作圖群體

續(xù)表3 Continued table 3

續(xù)表3 Continued table 3

SONG等[42]前期利用F2群體將Le初步定位在分子標(biāo)記BNL3279和BNL1154之間9.4 cM的遺傳區(qū)間內(nèi)。DENG等[31]進(jìn)一步利用BC1群體（群體大小為2 013個）將Le精細(xì)定位到分子標(biāo)記K1805和W8424之間267 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在3個基因，進(jìn)而克隆了基因Le——。

LIU等[43]將R初步定位在D07染色體上，在此基礎(chǔ)上，LI等[30]進(jìn)一步開發(fā)了分子標(biāo)記，利用RIL群體（群體大小為270個）將基因R精細(xì)定位到分子標(biāo)記S5和S6之間136 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在3個基因，進(jìn)而克隆了紅色植株基因R——。AHMED等[39]首先利用BSA-seq在第12染色體上檢測到QTL位點，然后利用F3群體將其定位在1.8 cM的遺傳區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步利用F4群體將其精細(xì)定位在0.89 cM的遺傳區(qū)間內(nèi)，最終將其定位到分子標(biāo)記AD-A12_07和AD-FM_44之間180 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在11個基因，進(jìn)而克隆了調(diào)控棉花鈴重的主效QTL位點——。

2.2 BSA-seq的應(yīng)用

集團(tuán)分離分析法（bulked segregant analysis，BSA）是一種快速定位控制目標(biāo)性狀基因的方法，由MICHELMORE等[44]于1991年首次提出，并成功應(yīng)用于萵苣霜霉病抗性基因的遺傳定位和連鎖分子標(biāo)記開發(fā)。

BSA-seq是由BSA和高通量測序技術(shù)結(jié)合而成簡單、高效、準(zhǔn)確的遺傳定位策略。從作圖群體中挑選極端個體，構(gòu)成2個DNA池；對親本和2個DNA池進(jìn)行高通量測序，鑒定親本和2個DNA池中的共有SNP，計算2個DNA池中相同變異位點的基因型頻率及其差值；以差值體現(xiàn)標(biāo)記在2個DNA池間的多態(tài)性，進(jìn)而對候選基因進(jìn)行定位。高通量測序技術(shù)的快速迭代與發(fā)展，極大地推進(jìn)了BSA-seq技術(shù)的應(yīng)用，先后衍生出了Mutmap、Mutmap+、QTL-seq、mQTL-seq、RAD-seq和SLAF-seq等技術(shù)。此外，BSR-seq技術(shù)也應(yīng)用于一些未獲得參考基因組的物種進(jìn)行基因定位。BSA-seq技術(shù)具有快速、成本低、適用于多種作圖群體等特點，極大促進(jìn)棉花功能基因圖位克隆的研究進(jìn)程[28]。

BSA-seq已被大量用于水稻、大豆、黃瓜、番茄等植物基因定位中，成功定位了水稻耐鹽[45]、稻瘟病[46]、大豆疫霉病[47]、黃瓜早花[48]、番茄果實重量[49]等基因。在棉花中，通過BSA-seq定位的基因主要包括gl[19]、Cl[25]、v[28]、Li[50]和[51]。如ZHU等[28]利用BSA-seq將v初步定位在D10染色體1.5 cM的遺傳區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步將其精細(xì)定位到分子標(biāo)記K5499和K5846之間44 kb的物理區(qū)間內(nèi)，區(qū)間內(nèi)存在8個基因，進(jìn)而克隆了芽黃基因v——。

3 總結(jié)與展望

棉花參考基因組發(fā)布相對滯后，導(dǎo)致棉花功能基因圖位克隆研究進(jìn)展緩慢。2012年以來，隨著棉花基因組測序數(shù)據(jù)的相繼公布和不斷完善，棉花功能基因圖位克隆研究進(jìn)入快速發(fā)展期。

1986年，COULSON等[52]首次提出圖位克隆的概念，是隨著分子標(biāo)記開發(fā)、遺傳連鎖圖譜構(gòu)建逐步發(fā)展起來的一種經(jīng)典的基因克隆策略。在圖位克隆提出的早期階段，由于缺乏基因組序列信息，只能根據(jù)候選基因在染色體上精細(xì)定位的遺傳信息，篩選與候選基因緊密連鎖的基因組文庫，構(gòu)建候選基因區(qū)域的染色體片段重疊群，再通過染色體步移縮小定位區(qū)間，最終克隆候選基因并鑒定其生物學(xué)功能；隨著基因組序列信息的不斷完善，分子標(biāo)記的不斷開發(fā)，基因物理位置信息已知，省去了篩選基因組文庫和構(gòu)建候選區(qū)段物理圖譜的過程，圖位克隆技術(shù)越來越成為高效可行的鑒定候選基因的方法。

目前，除少數(shù)存在重組交換異常的染色體區(qū)段，通過圖位克隆策略挖掘棉花功能基因已基本不存在瓶頸。隨著基因組測序技術(shù)的升級，測序成本的降低，BSA-seq等[45]一些新方法的出現(xiàn)，使定位克隆更加快速準(zhǔn)確，越來越多棉花功能基因相繼被圖位克隆。全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）也逐漸成為篩選功能基因位點的重要手段[53-54]，但GWAS在一般情況下較難直接克隆到目的基因。利用轉(zhuǎn)基因[55]和基因組編輯技術(shù)[56]對基因功能開展全面系統(tǒng)的鑒定評價，為棉花分子設(shè)計育種提供理論基礎(chǔ)和基因資源，必將加快棉花遺傳改良進(jìn)程。

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Research advances of map-based cloning genes in cotton

ZANG XinShan1,2,4, WANG KangWen1,3, ZHANG XianLiang1,2, WANG XuePing1, WANG Jun1, LIANG Yu1, PEI XiaoYu1, REN Xiang1,2, Lü YuLong1,2, GAO Yu1, WANG XingXing1, PENG YunLing3, MA XiongFeng1,2,3,4

1Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences/State Key Laboratory of Cotton Biology/Key Laboratory of Biological and Genetic Breeding of Cotton, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Anyang 455000, Henan;2Western Agricultural Research Center, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changji 831100, Xinjiang;3College of Agronomy, Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Lab of Arid Land Crop Science/Gansu Key Lab of Crop Improvement and Germplasm Enhancement, Lanzhou 730070;4School of Agricultural Sciences, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001

Map-based cloning is a classical and effective method to identify candidate genes for specific phenotypic variants. Map-based cloning of functional genes plays important roles in the innovative utilization of germplasm resources, molecular design breeding and improving breeding efficiency. In recent years, the whole-genome sequencing of,,,andhas been completed and improved. map-based cloning has entered into a crucial period. In 2016, the dominant glandless geneGl() was the first map-based cloning gene in cotton. So far, 20 qualitative traits genes and 5 quantitative traits genes have been identified by map-based cloning technology. In this paper, research progress was systematically reviewed in fiber, gland, nectary, leaf type, plant architecture, plant color, and fertility in terms of gene symbols, names, chromosomal positioning, and candidate genes. Moreover, map-based cloning strategies were systematically reviewed in mapping populations and bulked segregate analysis-sequencing (BSA-seq). With the reduction of sequencing cost and utilization of BSA-seq, it is believed that more and more genes will be cloned by map-based cloning technology. In addition, transformation and genome editing have been successfully used to evaluate the function of the candidate gene in the target interval. It is believed that map-based cloning could provide a theoretical basis and genetic resources for molecular design breeding in cotton.

cotton; map-based cloning; molecular marker; mapping population; BSA-seq

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.006

2023-02-08；

2023-04-17

國家棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-15-07）、新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)任務(wù)專項（2022B02052-2）、新疆維吾爾自治區(qū)天山英才計劃（2021）、昌吉回族自治州科技重大專項（2021Z01-01）

臧新山，E-mail：zangxinshan@163.com。王康文，E-mail：wangkangwen@126.com。臧新山和王康文為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者彭云玲，E-mail：pengyunlingpyl@163.com。通信作者馬雄風(fēng)，E-mail：maxf_caas@163.com

（責(zé)任編輯 李莉）