葉泗洪+吳德祥+路曦結(jié)+添長(zhǎng)久+潘宗瑾+馬曉杰

摘要：分子標(biāo)記技術(shù)和QTL定位技術(shù)的迅速發(fā)展，使得以DNA多態(tài)性為基礎(chǔ)的分子育種技術(shù)的研究不斷深入，并在作物遺傳育種中得到了一些成功運(yùn)用，為解決有關(guān)復(fù)雜性狀的選擇問(wèn)題帶來(lái)了希望。本文綜述了棉花分子標(biāo)記、QTL定位原理和方法、關(guān)聯(lián)分析、分子標(biāo)記輔助選擇等相關(guān)研究進(jìn)展，以期為棉花分子育種、基因組選擇研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：棉花；分子標(biāo)記； QTL定位；關(guān)聯(lián)分析；分子標(biāo)記輔助選擇

中圖分類號(hào)： S532. 035 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3143（2017）03-0016-04

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2017.03.004

0 引言

作物育種有賴于作物遺傳變異及利用恰當(dāng)?shù)倪x擇方式改良作物性狀，以適應(yīng)消費(fèi)者的需要[1]。近年來(lái)，生物技術(shù)的發(fā)展為作物性狀改良提供了新的途徑，通過(guò)轉(zhuǎn)基因或分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，可從分子水平上操作目標(biāo)基因，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)性狀的改良[2-5]。分子標(biāo)記發(fā)展經(jīng)過(guò)第一代（RFLP為代表）、第二代（SSR為代表）的歷程，新一代高通量測(cè)序技術(shù)和豐富的基因分型技術(shù)催生了第三代SNP的快速發(fā)展[6-7]。與AFLP、RFLP、RAPD和SSR標(biāo)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(qiáng)、遺傳穩(wěn)定性好和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于植物遺傳連鎖圖譜構(gòu)建、QTL定位以及生物多態(tài)性的研究等方面[6-7]。同時(shí)SNP標(biāo)記的發(fā)展促進(jìn)了遺傳圖譜、基因定位、關(guān)聯(lián)分析等對(duì)植物復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳研究[6-7]。探索、突破SNP標(biāo)記開(kāi)發(fā)及檢測(cè)體系至關(guān)重要，應(yīng)用前景會(huì)非常廣闊，因此，作者綜述國(guó)內(nèi)外棉花分子育種的研究情況，以期為棉花分子育種、基因組選擇研究奠定基礎(chǔ)，為我國(guó)棉花育種水平的提高發(fā)揮拋磚引玉的作用。

1 棉花分子標(biāo)記研究進(jìn)展

SNP標(biāo)記的發(fā)展促進(jìn)了遺傳圖譜、基因定位、關(guān)聯(lián)分析等對(duì)植物復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳研究，目前研究證明多數(shù)SNP變異與基因功能密切相關(guān)，通過(guò)基因定位、關(guān)聯(lián)分析可以發(fā)掘這些SNP位點(diǎn)信息并應(yīng)用于作物遺傳育種[7]。

同時(shí)隨著棉花二倍體A基因組、D基因組序列先后公布[8-9]，棉花生物學(xué)研究迅速進(jìn)入后基因組時(shí)代。2015年，棉花異源四倍體基因組陸地棉、海島棉基因組序列又相繼公布[10-12]。大量的測(cè)序信息、SNP位點(diǎn)和相關(guān)位點(diǎn)功能預(yù)測(cè)信息將為SNP標(biāo)記的研究提供基礎(chǔ)。截止2017年3月10日，NCBI上面登錄棉花SNP位點(diǎn)共122361個(gè)，美國(guó)基因組網(wǎng)站（www.cottongen.org）也公布了8萬(wàn)多條SNP序列、部分SNP標(biāo)記。當(dāng)前棉花標(biāo)記CMD數(shù)據(jù)庫(kù)（cotton marker database，http：//www.cottonmarker.org）已收集了大量的標(biāo)記[13]：包括17448個(gè)SSR以及從棉花EST中發(fā)掘的一千多個(gè)SNP，這些數(shù)字還在不斷增加。前人已開(kāi)始關(guān)注棉花SNP研究：Robert[14]開(kāi)發(fā)了共計(jì)11834個(gè)SNP位點(diǎn)，其中非基因組的有1679個(gè)，并將其中367個(gè)SNP標(biāo)記定位在F2群體圖譜上；Yohn [15]構(gòu)建了一張含有2072 個(gè)位點(diǎn)，含1825個(gè)SSR標(biāo)記、247 SNP標(biāo)記的海陸RIL遺傳圖譜。

2 QTL定位基本原理

QTL定位的理論依據(jù)是摩爾根的連鎖遺傳規(guī)律，首先是以分子標(biāo)記基因型為依據(jù)，對(duì)分離群體中的個(gè)體進(jìn)行分組，然后比較基因型不同的各組間目標(biāo)性狀的差異顯著性，來(lái)推測(cè)影響該性狀的基因（QTL）與分子標(biāo)記座位的連鎖關(guān)系及遺傳圖距。近年來(lái)研究數(shù)量性狀的基因定位的方法經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，包括傳統(tǒng)的單標(biāo)記分析方法（Single Marker Analysis，SMA）、基于兩個(gè)側(cè)鄰標(biāo)記的區(qū)間作圖法（Interval Mapping，IM）、將幾個(gè)標(biāo)記放到模型中作為參照以控制遺傳背景效應(yīng)從而降低作圖誤差的復(fù)合區(qū)間作圖法（Composite Interval Mapping，CIM），以及近兩年新發(fā)展起來(lái)的多重區(qū)間作圖法（Multiple Interval Mapping，MIM）和基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖法（The Mixed Linear Model，MLM）等。

3 棉花關(guān)聯(lián)分析研究進(jìn)展

棉花屬于常異花授粉作物，Ibrokhim，等[16]對(duì)來(lái)自不同生態(tài)區(qū)的334個(gè)陸地棉種質(zhì)進(jìn)行LD分析，發(fā)現(xiàn)棉花的LD衰減距離為5～6 cM。所以如果對(duì)棉花基因組每隔5～6 cM選個(gè)標(biāo)記，理論上可以進(jìn)行g(shù)enome-wide association studies（GWAS）關(guān)聯(lián)分析。Cai，等[17]利用97對(duì)標(biāo)記引物對(duì)99份棉種進(jìn)行棉花纖維品質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了107個(gè)標(biāo)記性狀的顯著關(guān)聯(lián)，其中70個(gè)在2環(huán)境以上重演，這其中52.86%前人報(bào)道過(guò)。Wang，等[18]利用170個(gè)SSR標(biāo)記和258個(gè)SRAP標(biāo)記對(duì)55個(gè)海島棉的3個(gè)產(chǎn)量性狀和5個(gè)纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SSR標(biāo)記和SRAP標(biāo)記解釋的平均表型變異為8.89%、8.61%，其中標(biāo)記NAU1164解釋表型變異最大，為23.33%。Mei，等[19]利用381對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)356個(gè)陸地棉品種產(chǎn)量性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)55個(gè)標(biāo)記性狀連鎖。Jia，等[20]利651對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)9個(gè)環(huán)境的323份棉花品種的棉花產(chǎn)量性狀關(guān)聯(lián)作圖，研究了其上位性效應(yīng)和環(huán)境互作效應(yīng)。Du，等[21]利用145個(gè)SSR標(biāo)記對(duì)304份棉花材料的10個(gè)種子萌發(fā)期和苗期耐鹽相關(guān)的生理生化指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，檢測(cè)117個(gè)QTL位點(diǎn)。江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所項(xiàng)目組前期定位的12號(hào)染色體上耐鹽相關(guān)QTL QST-12-1（基于SSR標(biāo)記定位的、在A12染色體上、和NAU1151連鎖、解釋表型變異5.6%），這與Du ，等[21]結(jié)果一致。Su，等[22]基于GWAS分析發(fā)掘了棉花早熟性狀的SNP位點(diǎn)和候選基因。棉花80K SNP芯片已經(jīng)定制完成并開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用，將為關(guān)聯(lián)分析在棉花遺傳和育種研究中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 棉花分子標(biāo)記輔助育種進(jìn)展

作物育種由常規(guī)育種時(shí)代向分子育種時(shí)代邁進(jìn)，兩者相互補(bǔ)充，相得益彰。植物分子育種包含分子標(biāo)記輔助選擇（Molecular Marker-Assisted Selection，MAS），轉(zhuǎn)基因，品種分子設(shè)計(jì)（variety molecular design）（Johan等2003）。目前QTL定位的一個(gè)總的趨勢(shì)：基于次級(jí)作圖群體的精細(xì)定位、基于基因表達(dá)譜的eQTL 定位，基于動(dòng)態(tài)分析的QTL定位，將使得QTL走向QTG（Quantitive Trait gene）將不再是夢(mèng)想，從而達(dá)到圖位克隆QTL的目的，服務(wù)于作物育種與改良。

分子標(biāo)記在作物育種中的直接應(yīng)用是對(duì)重要性狀進(jìn)行輔助選擇，即分子標(biāo)記輔助選擇。它是利用與目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行間接選擇，是對(duì)目標(biāo)性狀在分子水平的選擇，不受環(huán)境影響，不受等位基因顯隱性關(guān)系的干擾，選擇結(jié)果可靠；在聚合有利目標(biāo)性狀的同時(shí)，可以在回交漸滲過(guò)程中，通過(guò)遺傳背景選擇，減少連鎖累贅，加速育種進(jìn)程。MAS可在育種早代進(jìn)行選擇，從而大大縮短了育種周期。但由于QTL定位存在一定的組合特異性，目前的選擇主要集中在原定位組合的雜交、回交后代或含有目標(biāo)性狀QTL的親本組合的后代上[6]。

沈新蓮，等[23]（2001）從1個(gè)棉屬野生種異常棉（G anomalum）基因漸滲的優(yōu)質(zhì)纖維種質(zhì)系7235中篩選出1個(gè)高強(qiáng)纖維的主效QTL，有/無(wú)標(biāo)記個(gè)體的平均纖維強(qiáng)度差異均達(dá)極顯著水平，研究證明僅利用鑒定出的1個(gè)主效QTL進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇提高棉花纖維強(qiáng)度也是有效的。修飾回交育種法是將雜種品系間雜交和回交方法結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，用于棉花多個(gè)優(yōu)良性狀聚合的育種改良方法。郭旺珍，等[24]（2005）利用長(zhǎng)江流域推廣品種泗棉3號(hào)和優(yōu)異纖維種質(zhì)系7235為育種親本，配置了系統(tǒng)育種和修飾回交聚合育種兩套群體，通過(guò)分子標(biāo)記對(duì)位于不同連鎖群上的2個(gè)QTL聚合選擇，其中選單株的纖維強(qiáng)度顯著提高。這些研究結(jié)果為利用分子標(biāo)記輔助聚合優(yōu)質(zhì)QTL提供了成功實(shí)例。

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