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基于陸地棉背景的海島棉染色體片段導入系產量性狀QTL定位

朱協(xié)飛**王 鵬**司占峰 張?zhí)煺?

南京農業(yè)大學棉花研究所 / 作物遺傳與種質創(chuàng)新國家重點實驗室, 江蘇南京 210095

棉花產量分為籽棉產量和皮棉產量, 其中高皮棉產量總是育種的首要目標。皮棉產量由單株鈴數(shù)、衣分、單鈴重等因素組成。其中衣分在各因素中的遺傳率最高, 同時也是產量育種中重要的選擇指標。育種中利用分離群體對單株鈴數(shù)、鈴重等產量性狀選擇受環(huán)境影響較大。利用染色體片段導入系進行鈴數(shù)、鈴重等產量性狀的定位, 定向改良產量性狀, 是棉花分子設計育種的有效方法。本研究利用陸地棉TM-1為輪回親本和海島棉海7124為非輪回親本構建了一套陸地棉背景的染色體片段導入系, 并在7個環(huán)境的田間試驗下, 鑒定了它們的產量表現(xiàn), 定位了28個與單株鈴數(shù)、鈴重、衣分和籽指相關的QTL。其中, 在Dt亞組染色體上鑒定出的產量性狀QTL多于在At亞組染色體上鑒定出的。28個QTL中, 加性效應為正的16個, 加性效應為負的12個, 表明海島棉不同的導入片段效應不同, 有的片段可以提高陸地棉產量, 有的則降低陸地棉產量。在6個環(huán)境下, 導入系IL008 (特征標記NAU2573和NAU3576)的衣分均顯著高于輪回親本TM-1, 因此IL008可以應用于棉花分子育種, 定向改良陸地棉的衣分。

導入系; 產量; QTL定位; 加性效應

單株鈴數(shù)、鈴重等產量性狀是棉花的重要經濟性狀, 其表現(xiàn)型是基因與環(huán)境共同作用的結果, 并且產量性狀與品質性狀間存在顯著的負相關[1]。傳統(tǒng)的棉花產量改良, 都是直接以產量性狀作為選擇依據(jù), 其選擇易受環(huán)境等外在因素的影響, 選擇的準確性較差。分子標記技術不受基因表達強弱、環(huán)境條件的影響, 易打破其不良連鎖, 實現(xiàn)優(yōu)良基因的定向轉移和多基因聚合。產量性狀QTL定位的研究大多是以F2或F3群體為基礎, 遺傳背景復雜, QTL定位結果除環(huán)境對其影響較大外, 還受到非目標QTL的干擾。雖然統(tǒng)計方法在不斷改進, 但是這些問題始終無法克服。

陸地棉(L.)和海島棉(L.)是棉花的2個四倍體栽培種, 陸地棉產量高, 纖維品質中等, 海島棉產量低但纖維細強, 可紡100~200支紗, 是紡高支紗的原料。遺傳基礎狹窄已經成為目前限制陸地棉遺傳改良的主要因素。在陸地棉和海島棉間進行優(yōu)良基因的高效轉移滲透對二者的遺傳改良具有極為重要的現(xiàn)實意義。如何將海島棉中的這些優(yōu)異基因漸滲到陸地棉栽培品種中, 拓寬陸地棉栽培品種的遺傳基礎, 創(chuàng)造更多優(yōu)異種質, 是棉花品種改良必須考慮的問題。傳統(tǒng)的海陸種間雜交后代性狀瘋狂分離, 要想得到穩(wěn)定純合的后代往往需要很長時間和巨大的工作量。染色體片段導入系(chromosome segment introgression lines, CSIL)是利用雜交、回交和分子標記輔助選擇(marker-assisted selection, MAS)構建的覆蓋作物整個基因組的一系列近等基因系, 其基因組內有一個或多個純合的來自供體親本的染色體片段, 而基因組的其余部分與輪回親本相同。染色體片段導入系是進行基因組研究, 特別是QTL定位的理想材料。到目前為止培育了番茄、水稻、玉米、小麥、大麥、油菜等作物各自的染色體片段導入系, 并進行了QTL精細定位研究[2-7]。本研究以TM-1為受體親本, 海7124為供體親本通過回交和自交, 并結合4次SSR標記輔助選擇構建了一套棉花種間的染色體片段導入系。該導入系包括174個家系, 每個家系含有1~4個不等的導入片段, 共計298個片段, 導入片段的平均長度為16.7 cM, 覆蓋棉花基因組的83.3%[8]。以此導入系為研究材料, 在7個環(huán)境下進行田間試驗, 調查單株鈴數(shù)、鈴重、衣分和籽指4個產量性狀, 篩選產量性狀顯著優(yōu)于輪回親本的導入系, 進一步利用SSR分子標記進行QTL定位, 發(fā)掘能提高陸地棉產量的優(yōu)異基因資源, 為棉花高產分子育種打下堅實的物質基礎。

1 材料與方法

1.1 親本和CSIL來源

TM-1是陸地棉遺傳標準系, 來自美國德州農業(yè)部南方平原農業(yè)研究中心作物種質資源研究室[9]; 海7124是南京農業(yè)大學棉花研究所抗黃萎病遺傳研究的一個單株選擇后代, 纖維品質優(yōu)良且高抗黃萎病[10-11]。CSIL家系為南京農業(yè)大學棉花研究所選育[12]。

1.2 試驗概況與性狀調查

試驗概況及調查性狀見表1。每個環(huán)境的試驗均采用2次重復, 隨機區(qū)組排列。試驗田管理同大田生產一致。在棉花摘頂后調查單株鈴數(shù); 從每行選取中間5個單株調查單鈴重、衣分、籽指。

表1 CSIL家系試驗概況及調查性狀

PNT: planting seeds in nutrition pots and then transplanting seedling into field; DP: direct planting. BN: boll number; BW: boll weight; LP: lint percentage; SI: seed index.

1.3 數(shù)據(jù)分析和QTL定位

用SPSS 17.0 (SPSS, Chicago, Illinois, America)進行CSIL家系的方差分析和群體平均數(shù)等群體特征數(shù)據(jù)分析。參考Wang等[13-14]基于逐步回歸的極大似然估計算法(A likelihood ratio test based on stepwise regression RSTEP-LRT)來檢測多片段導入系中的QTL。其基本原理是: 采用逐步回歸分析來選擇對性狀影響最大的標記(片段); 然后用似然比來估算每個標記的LOD值; RSTEP-LRT方法適用于非理想的 CSSL 群體(即每個家系含一個以上供體親本插入片段), 對于理想的CSIL群體(每個家系只有一個來自供體親本的插入片段), 該方法與標準測驗有相同的功效。利用QTL IciMapping 3.0[14](http://www. isbreeding.net/)檢測CSIL群體產量相關性狀的QTL, 以LOD≥3.0作為閾值來判斷具有加性效應的QTL是否存在。

參照水稻上常用的方法命名QTL[15], 以小寫的“q”起, 后接性狀的英文字母縮寫, 再接染色體或連鎖群的編號(2~3個字母和符號), 如果同一染色體上有2個以上的QTL, 則加數(shù)字“1”、“2”、“3”等加以區(qū)別。

2 結果與分析

2.1 親本和群體產量等性狀的表現(xiàn)

所有性狀在不同環(huán)境中的表型變異列于表2。親本和CSIL群體的平均值在不同環(huán)境中表現(xiàn)存在差異。盡管CSIL群體在不同環(huán)境中的均值更接近于受體親本TM-1的表型值, 但是有少量家系在不同的產量性狀和環(huán)境中表現(xiàn)超親分離。超親分離的個別家系在不同環(huán)境中表現(xiàn)基本一致, 表明在這些家系中存在穩(wěn)定表達的QTL。

表2 親本及CSIL群體的產量性狀

為了更深入分析CSIL群體中產量差異的來源, 對其基因型、環(huán)境效應和基因×環(huán)境的互作效應進行了方差分析。從表3可以發(fā)現(xiàn), 所有性狀的基因型、環(huán)境效應和基因×環(huán)境互作效應的值都達到極顯著水平, 表明它們受到以上3個方面的顯著影響。

表3 產量性狀的不同環(huán)境間的雙向方差分析

2.2 QTL定位

利用QTL IciMapping 3.0軟件在CSIL群體中檢測到4個產量性狀相關的QTL共28個, 其中鈴重相關QTL最多, 為11個; 衣分QTL次之, 為7個; 鈴數(shù)和籽指QTL都為5個。這28個QTL分別分布在染色體A1、A5、A6、A7、A10、A13、D1、D3、D4、D6、D7、D9、D12和D13上(表4和圖1)。

2.3 加性QTL的統(tǒng)計及分布

檢測到28個與產量性狀相關的QTL, 其在棉花2個亞組中的數(shù)量各不相同。所有性狀QTS在At亞組的數(shù)量都少于在Dt亞組的數(shù)量, 適合性測驗結果表明每個性狀的QTL數(shù)量在2個亞組之間不存在顯著差異, 但是QTL總量在2個亞組間差異顯著。At亞組檢測到的QTL總量顯著少于Dt亞組檢測到的QTL總量。通過對所有28個QTL的加性效應的方向統(tǒng)計發(fā)現(xiàn), 加性效應為正的QTL有16個, 加性效應為負的QTL有12個(表4和圖1)。本研究在14條染色體上檢測到QTL, 但是每條染色體上檢測到的QTL數(shù)目是不同的, 在Chr.D1、D3、D4、D9上檢測到的QTL數(shù)目都是3個。

2.4 海島棉染色體片段增加陸地棉產量

海島棉產量較陸地棉低, 原因是海島棉的單鈴重低。而從表2可以看出, 海島棉的單鈴重比陸地棉低, 衣分在有些環(huán)境比陸地棉高, 有些環(huán)境比陸地棉低, 所以有些海島棉染色體片段導入陸地棉以后, 能增加陸地棉的鈴重或衣分。含有海島棉染色體片段D1-3的導入系IL008 (圖2)在6個環(huán)境下的衣分為39.22%~45.08%, TM-1在6個環(huán)境下的衣分為31.37%~33.58%, 含有海島棉染色體片段D1-3的導入系IL008 的衣分比輪回親本TM-1增加23.29%~41.72% (表6)。因此海島棉染色體片段導入系IL008可以應用于棉花分子育種, 通過追蹤IL008的特征標記NAU2573和NAU3576, 能有效地改良陸地棉衣分, 提高棉花的產量和育種效率。

3 討論

3.1 環(huán)境對棉花主要產量性狀的影響

利用F2群體、回交群體或者重組自交系群體定位的缺點是它們的遺傳背景復雜, 受到連鎖累贅的影響較大, 從而降低了QTL定位的準確性。染色體片段導入系由于每個家系遺傳背景一致, 受到的連鎖累贅的影響小, 同時可提供大量的種子進行多年多點的重復試驗, 減少環(huán)境對試驗的影響, 所以導入系的應用必然能夠促進對棉花產量性狀遺傳的研究。

本研究表明, 所有性狀的基因型、環(huán)境效應和基因×環(huán)境的互作效應的值都達到極顯著水平, 說明4個性狀受到以上3個方面的顯著影響, 但是環(huán)境對各性狀的影響大于基因型和互作效應, 環(huán)境的差異是各性狀表型差異的最重要的來源。由此可見, 在棉花農藝性狀的QTL定位中必須考慮環(huán)境效應。先前的大量研究采用F2群體為研究材料[16-18], 無法進行有重復或區(qū)組效應的試驗及多環(huán)境下的性狀調查, 因而無法估算環(huán)境效應對棉花農藝性狀QTL的影響。

表4 產量性狀的QTL定位

AE: 加性效應, 加性效應為正值表示來自海7124的基因增加性狀的值, 為負值表示來自海7124的基因降低性狀的值; PVE: QTL解釋的表型變異。

AE: additive effect, in which positive value means the allele from Hai 7124 increases the trait values, negative one decreases the trait values; PVE: means percentage of phenotypic variation explained by the additive QTL; QTL detected by multi-QTL joint analysis. BN: boll number; BW: boll weight; LP: lint percentage; SI: seed index.

圖1 產量QTL的加性效應和位置

BN: 單株鈴數(shù); BW: 鈴重; LP: 衣分; SI: 籽指。

BN: boll number; BW: boll weight; LP: lint percentage; SI: seed index.

表6 導入系IL008在不同年份、不同環(huán)境中衣分表現(xiàn)

圖2 導入系IL008的分子標記特征

1、2、3為4個SSR標記分別在TM-1、海7124、IL008中的擴增帶型。

1, 2, 3 means banding patterns the four SSR makers in TM-1, H7124, and IL008, respectively.

3.2 加性效應對棉花產量性狀的作用

本研究發(fā)現(xiàn)檢測到的4個性狀QTL都是分布在At亞組上的少于分布在Dt亞組上的。適合性測驗結果表明每個性狀的QTL數(shù)量在2個亞組之間不存在顯著差異, 但是QTL總量在2個亞組間是存在顯著差異的。At亞組檢測到11個QTL, 極顯著少于Dt亞組檢測到的17個QTL (=0.01), 表明QTL在Dt亞組富集。這與Jiang等[1]、Rong等[18]、Paterson等[19]、Wang等[20]的結果一致。

通過對所有28個QTL的加性效應的方向統(tǒng)計發(fā)現(xiàn), 加性效應為正的QTL有16個, 加性效應為負的QTL有12個, 表明海島棉不同的導入片段效應不同, 有的片段可以提高陸地棉產量, 有的則降低陸地棉產量。

3.3 利用染色體片段導入系育種平臺進行棉花聚合育種

由于種間雜交容易造成后代育性降低、晚熟, 限制了海陸種間育種的發(fā)展。隨著分子技術的飛速發(fā)展, 分子標記輔助選擇作為一種可行的育種方法正在被越來越多的育種家接受。在分子育種的應用中, 培育和鑒定染色體片段導入系被認為是其中的核心環(huán)節(jié)[21-23]。染色體片段導入系真正實現(xiàn)了QTL定位與育種的有效結合。如果在某個導入片段上發(fā)現(xiàn)貢獻率大、表現(xiàn)穩(wěn)定的QTL或基因, 那么該片段對應的導入系可以作為育種親本直接應用于育種實踐[24-25]。

4 結論

染色體片段導入系可以對復雜產量性狀進行定位并且定向改良棉花產量性狀。我們調查了單株鈴數(shù)、鈴重、衣分和籽指4個性狀的數(shù)據(jù)并定位了28個相關的QTL。其中含有海島棉染色體片段D1-3的家系IL008的衣分在多個環(huán)境下顯著高于輪回親本TM-1。海島棉染色體片段D1-3的NAU2573和NAU3576等SSR分子標記能大大提高棉花衣分的選擇效率。分子標記輔助目標片段選擇具有早期鑒定、快速鑒定及穩(wěn)定性高等特點, 將加快高產棉花新品種培育與種子產業(yè)化進程。

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QTL Mapping for Yield Components inChromosome Segment Introgression Lines Based onBackground

ZHU Xie-Fei**, WANG Peng**, SI Zhan-Feng, and ZHANG Tian-Zhen*

Cotton Institute, Nanjing Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing 210095, China

Cotton yield is divided into seed cotton yield and lint yield. High lint yield is always the primary breeding goal in cotton. Lint yield consists of three components, including boll number per plant, lint percentage and boll weight. Of them, lint percentage has the highest heritability and is a most important target in breeding for increasing lint yield. Selection of yield components such as boll number and boll weight is easily affected by environmental factors in temporary segregating populations. It is testified that it is one of efficient methods to map the yield component QTLs and develop the elite lines in molecular breeding by using chromosome segment introgression lines (CSILs). In the present study, we developed a set of CSILs usingacc TM-1 as a recurrent parent andcv. Hai 7124 as a non-recurrent parent through the molecular markers assisted-selection. Here, we identified 28 QTLs for yield components under seven environments. Much more QTLs were enriched on Dt subgenome than on At subgenome. The chromosome segments introgressed fromhave different effects on yields inbackgroundThere were 16 QTLs showing positive additive effects, implying these chromosome segments introgressed fromcould be used to improve yield components, while 12 QTLs showing negative additive effects, decreasing yield components. Lint percentage in IL008 line anchored with the SSR markers NAU2573 and NAU3576 was significantly higher than that of the recurrent parent TM-1 under six environments. Therefore, the CSIL IL008 could be used in molecular breeding to improve the lint yield in.

CSILs; Yield; QTL mapping; Additive Effect

10.3724/SP.J.1006.2017.01784

本研究由國家現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項(CARS-18-01)和國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0101400)專項資助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-18-01) and the National Key R&D Program of China (2016YFD0101400).

張?zhí)煺? E-mail: cotton@njau.edu.cn, Tel: 025-84395307

朱協(xié)飛, E-mail: fxx615@njau.edu.cn; 王鵬, E-mail: wp280018@163.com**同等貢獻(Contributed equally to this work)

2016-12-31; Accepted(接受日期): 2017-09-10; Published online(網(wǎng)絡出版日期): 2017-09-28.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170928.1842.024.html