染色體片段代換系

(一)，研究的基礎(chǔ)理論QTL定位群體目前用于QTL研究的作圖群體主要分為初級(jí)作圖群體和次級(jí)作圖群體。初級(jí)作圖群體包括F2、F3、BC1、DH(Doubledhaploids)、RILs(Recombinationinbredlines)等，群體后代的分離程度比較高；次級(jí)作圖群體主要包括CSSL(Chromosomesegmentsubstitutionlines)、ILs(Introgressionlines)、NILs(nearlyisogonicslines)等。初級(jí)群體是指兩個(gè)遺傳差異很大的親本相雜交而建立的分離群體。在后代群體中全基因組都會(huì)發(fā)生大規(guī)模的分離，遺傳背景復(fù)雜，所以初級(jí)群體內(nèi)含有豐富的遺傳信息，可以有效地估計(jì)加性和顯性效應(yīng)，是早期進(jìn)行QTL定位常用的群體。但是定位的QTL一般精度不高，結(jié)果有偏差(毛傳澡和程式華,1999；徐建龍等，2002)，必須具有足夠大的群體，且性狀有較高的遺傳力時(shí)，才能保證結(jié)果準(zhǔn)確(Darvasi,etal.,1993)。次級(jí)作圖群體是在初級(jí)群體的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的分離群體。其特點(diǎn)是只在特定的染色體區(qū)段上發(fā)生分離，群體內(nèi)個(gè)體間的差異只存在于特定的區(qū)段上，可有效減少遺傳背景的干擾，使QTL定位結(jié)果和遺傳效應(yīng)分析更加準(zhǔn)確。染色體片段代換系染色體片段代換系(ChromosomeSegmentSubstitutionLines,CSSL)群體是在F1代與輪回親本進(jìn)行多代的回交，然后通過對(duì)供體親本的染色體片段進(jìn)行分子標(biāo)記選擇得到的高代回交群體。該群體后代自交不會(huì)發(fā)生性狀分離，可以穩(wěn)定遺傳。群體內(nèi)整個(gè)染色體組只存在少數(shù)幾個(gè)甚至一個(gè)代換片段差異，該群體與其受體親本間在遺傳背景上只有代換片段上的差異，是永久性分離群體，遺傳背景簡單，可以用來進(jìn)行多點(diǎn)、多年、多重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，QTL定位時(shí)可以消除其它背景的干擾，將QTL定位到很小的片段上，QTL定位的精確度高。所以CSSL群體近年來被廣泛用于QTL的精細(xì)定位及圖位克隆。它具有如下特點(diǎn)：(1)單一性。每個(gè)片段代換系的基因組內(nèi)只含有來自供體親本的染色體片段，且兩端由分子標(biāo)記界定，基因組的其余部分與輪回親本相同。(2)穩(wěn)定性?？梢蕴峁┐罅康姆N子用于多點(diǎn)、多年、多重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，可以研究QTL與環(huán)境、QTL之間等的互作關(guān)系。(3)單片段代換系可以通過再次回交，重組再分隔成代換片段長度更短的染色體單片段代換系，這樣就可以對(duì)QTL進(jìn)行精細(xì)定位。片段代換系減少了遺傳背景的影響，大大提高了QTL定位的準(zhǔn)確性，同時(shí)降低效應(yīng)較大的QTL對(duì)效應(yīng)較小的QTL的遮蓋作用，減少Q(mào)TL之間的互作，從而使微效QTL被檢測出來。本研究利用生產(chǎn)上大面積推廣種植的陸地棉（中棉所45）和具有優(yōu)良纖維品質(zhì)性狀和高抗黃萎病性狀的海島棉品系（海1）組配種間雜交，陸地棉栽培品種作為輪回親本進(jìn)行高代回交，獲得了具有陸地棉背景并導(dǎo)入海島棉片斷的染色體片段代換系。本研究通過對(duì)該染色體片段代換系產(chǎn)量和品質(zhì)方面的評(píng)價(jià)，在進(jìn)行相關(guān)性狀QTL定位的同時(shí)，篩選優(yōu)質(zhì)新材料。（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展目前，染色體片段代換系的應(yīng)用很廣泛。在水稻、番茄、玉米等作物的染色體片段代換系的構(gòu)建及相關(guān)重要性狀QTL定位的研究已經(jīng)做了很多工作，例如：Eshed和Zamir（1995）用在栽培番茄Lycopersiconesculentum的遺傳背景上構(gòu)建的50個(gè)野生綠果番茄Lycopersiconpennellii的單片段導(dǎo)入系為材料，檢測出18個(gè)番茄果實(shí)體積QTL和23個(gè)番茄的可溶性固含物QTL；邵迪等（2009）利用日本晴/明恢63的抽穗期分離家系BC3F2染色體片段代換系的327個(gè)單株，采用單因子方差分析檢測到標(biāo)記RM416和抽穗期主效QTLqHd-3連鎖，并將qHd-3定位到IDL01—RM5995區(qū)間內(nèi)，可以解釋表型變異的62.9%；郭晉杰等（2009）通過回交育種程序結(jié)合SSR標(biāo)記構(gòu)建以玉米自交系農(nóng)系531為受體親本、10個(gè)具有不同農(nóng)藝性狀的自交系為供體的染色體片段導(dǎo)入系群體，共檢測出14個(gè)相關(guān)性狀的QTL。在棉花上，QTL定位方面的研究起步相對(duì)比較晚，而且棉花染色體數(shù)目多，染色體片段代換系的構(gòu)建工作比較困難，相關(guān)性狀QTL定位工作進(jìn)展相對(duì)緩慢。在棉花研究中，QTL定位所用的群體多為F2群體、F2:3群體、DH群體、RIL群體等，近年來，眾多學(xué)者利用這些群體，在棉花上也檢測到許多與棉花產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)的QTL。棉花產(chǎn)量性狀QTL定位研究進(jìn)展1998年，Shappley等利用陸陸種內(nèi)雜交F2群體借助RFLP分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建了一套覆蓋棉花基因組865cM的遺傳距離的連鎖圖譜，定位到100個(gè)QTL（LR>6.63），其中控制產(chǎn)量性狀的QTL中籽指4個(gè)，衣分5個(gè)，還有控制農(nóng)藝性狀的其它QTL。2000年，Ulloa等（2000）利用陸陸種內(nèi)雜交群體和RFLP標(biāo)記構(gòu)建了覆蓋701cM的遺傳距離的連鎖圖譜，共定位到7個(gè)控制產(chǎn)量性狀的QTL，分別控制皮棉產(chǎn)量、衣分和籽指。王沛政等（2008）利用新陸早7號(hào)、新陸中10號(hào)、軍棉1號(hào)和中棉所35號(hào)4個(gè)品種構(gòu)建3個(gè)F2群體來構(gòu)建遺傳連鎖圖并進(jìn)行QTL定位，共鑒定出與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL11個(gè)。Wu等（2009）利用RIL群體定位了23個(gè)產(chǎn)量性狀的QTLs，可解釋30.2%-50.5%表型變異的。其中3個(gè)鈴重，5個(gè)衣分，6個(gè)籽指，5個(gè)皮棉產(chǎn)量，4個(gè)籽棉產(chǎn)量。林忠旭等（2009）以DH962X冀棉5號(hào)的家系為分析群體構(gòu)建了一套包含471個(gè)標(biāo)記、覆蓋棉花基因組3070.2cM的遺傳圖譜，采用復(fù)合區(qū)間作圖法定位主效QTL，共定位到9個(gè)與產(chǎn)量性狀相關(guān)的主效QTL，秦永生（2009）利用中棉所28和湘雜棉2號(hào)兩個(gè)雜交F2群體構(gòu)建了一張覆蓋棉花基因組1847.81cM的遺傳圖譜，利用復(fù)合區(qū)間作圖法進(jìn)行QTL定位，分別在中棉所28和湘雜棉2號(hào)群體聯(lián)合分析中檢測到16和20個(gè)產(chǎn)量相關(guān)QTL。棉花品質(zhì)性狀QTL定位研究進(jìn)展2008年，田海燕等利用F2：3家系進(jìn)行纖維品質(zhì)研究，定位到1個(gè)纖維強(qiáng)度QTL，解釋表型變異的30.82%，1個(gè)控制麥克隆值QTL，解釋表型變異的13.57%。陳利、張正圣等（2008）利用渝棉1號(hào)與中棉所35的F2、F2:3群體進(jìn)行纖維品質(zhì)性狀鑒定，采用區(qū)間作圖方法定位到5個(gè)纖維品質(zhì)性狀相關(guān)的QTL，包括1個(gè)控制纖維長度的QTL、2個(gè)控制纖維強(qiáng)度和2個(gè)控制纖維細(xì)度的QTL。Wu等（2009）利用陸地棉種內(nèi)RIL群體共定位34個(gè)控制纖維品質(zhì)性狀的QTL，其中纖維強(qiáng)度6個(gè)，纖維成熟度5個(gè)，馬克隆值3個(gè)，2.5%纖維長度4個(gè)，纖維重量整齊度3個(gè)，纖維周長2個(gè)，纖維壁厚度4個(gè)，50%纖維長度3個(gè)，伸長率4個(gè)，解釋表型變異的13.4%-56.9%。Zhang等（2009）利用陸地棉種內(nèi)的270個(gè)重組自交系群體，共檢測出13個(gè)與纖維品質(zhì)有關(guān)的QTL，其中包括2個(gè)控制纖維強(qiáng)度，4個(gè)控制纖維長度，2個(gè)控制纖維細(xì)度的QTL，解釋的表型變異分布在7.4%-43-1%之間。林忠旭等（2009）利用DH962X冀棉5號(hào)的&家系為分析群體，定位到5個(gè)與控制纖維品質(zhì)性狀的主效QTL。染色體片段代換系在棉花上的應(yīng)用王鵬等（2008）以陸地棉遺傳標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為受體親本，海島棉海7124為供體親本，采用雜交、連續(xù)回交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇在BC5S］代培育選擇了一套染色體片段代換系，海島棉代換片段的平均長度為10.9cM，總代換長度為5271.9cM。但由于有些區(qū)段缺失，這個(gè)置換系群體并沒覆蓋整個(gè)基因組。楊澤茂等（2009）利用陸地棉栽培種中棉所45為受體，海島棉海1為供體，利用276對(duì)多態(tài)性標(biāo)記對(duì)BC4F1世代進(jìn)行SSR分子標(biāo)記輔助選擇，構(gòu)建了一個(gè)包含116個(gè)家系的代換系群體。檢測區(qū)域覆蓋棉花基因組2347cM，占棉花基因組的52.7%。梁燕等（2010）利用陸地棉栽培品種中棉所36為受體，海1為供體構(gòu)建的染色體片段代換系BC5F1群體檢測到20個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)的QTL及33個(gè)與品質(zhì)相關(guān)的QTL。二研究的目的和意義我國陸地棉栽培品種遺傳基礎(chǔ)狹窄，纖維品質(zhì)類型單一，長度多集中在29.0mm左右，缺乏長度在31.00mm以上、同時(shí)比強(qiáng)度又在34.0cN/tex以上、馬克隆值在3.7?4.2的特優(yōu)質(zhì)棉花品種（楊偉華等，2001）。利用現(xiàn)有的陸地棉材料或陸地棉種內(nèi)雜種優(yōu)勢，在短期內(nèi)大幅度提高纖維品質(zhì)難度大（張香桂等，2003）。海島棉具有纖維長、強(qiáng)、細(xì)的特點(diǎn)，但纖維產(chǎn)量低。如果能夠?qū)㈥懙孛薜母弋a(chǎn)基因和海島棉的優(yōu)異纖維品質(zhì)基因有效聚合，對(duì)于同步改良我國棉花產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要的意義。傳統(tǒng)的棉花育種技術(shù)主要是雜交育種，育種家根據(jù)自身育種經(jīng)驗(yàn)對(duì)材料形態(tài)表型進(jìn)行選擇育種，但由于棉花大多數(shù)經(jīng)濟(jì)性狀均是數(shù)量性狀，由微效多基因控制，而且易受環(huán)境影響，在復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)育種家難以對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行有效選擇。分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展為數(shù)量性狀的研究和目標(biāo)性狀的遺傳改良提供了便捷的途徑。尋找到與目標(biāo)性狀主效QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇，不僅可以提高選擇的準(zhǔn)確度，并且能夠加快選擇的進(jìn)度，提高棉花育種工作效率（沈新蓮等，2001；郭旺珍等，2005；石玉真等，2007,董章輝等，2009）。隨著染色體片段代換系首次在番茄上（Eshedetal.,1994）構(gòu)建和應(yīng)用，其應(yīng)用價(jià)值被越來越多的育種家所認(rèn)知。目前，染色體片段代換系已經(jīng)在水稻（Tanksleyetal.,1996;Sobrizaetal.,1999;Kurakazuetal.,2001;劉冠明等，2003；何鳳華等，2005；Zhuetal.,2009）、大麥（Matusetal.,2003;Korffetal.,2004）、小麥（劉樹兵，2005）、玉米（趙永峰，2006；張書紅，2007）、棉花（王鵬等，2008；楊澤茂，2009；梁燕，2010；朱亞娟等；2010）等作物上被構(gòu)建和應(yīng)用，創(chuàng)造了大量的外源種質(zhì)漸滲的優(yōu)異新材料。本研究利用生產(chǎn)上大面積推廣種植的陸地棉中棉所45與顯性無腺體海島棉海1高代回交、自交，初步構(gòu)建了漸滲有海島棉染色體片段的332個(gè)染色體片段代換系，利用SSR標(biāo)記技術(shù)對(duì)這個(gè)世代群體的海島棉染色體漸滲情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。篩選染色體單片段代換系，為進(jìn)一步精細(xì)定位基因，實(shí)現(xiàn)海島棉優(yōu)良特性基因向陸地棉的漸滲奠定基礎(chǔ)。研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題研究目標(biāo)：（1）明確一批優(yōu)異染色體片段漸滲系情況，為分子標(biāo)記輔助育種、基因聚合、基因互作等研究進(jìn)一步準(zhǔn)備基礎(chǔ)材料；（2）挖掘出海島棉優(yōu)異纖維品質(zhì)性狀穩(wěn)定的QTL或基因；（3）篩選出一批纖維品質(zhì)優(yōu)良，高抗黃萎病，抗蟲性好，低酚，產(chǎn)量與常規(guī)對(duì)照品種相當(dāng)?shù)膬?yōu)異棉花新材料或新品系，為棉花育種提供優(yōu)質(zhì)、強(qiáng)優(yōu)勢組合的親本材料。研究內(nèi)容（1）染色體片段代換系田間農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)等性狀的多環(huán)境評(píng)價(jià)，篩選優(yōu)質(zhì)新材料；（2）染色體片段代換系的分子檢測；（3）海島棉優(yōu)質(zhì)纖維品質(zhì)性狀的QTL定位；擬解決的關(guān)鍵問題：對(duì)構(gòu)建的染色體片段代換系進(jìn)行分子檢測，并明確控制棉花優(yōu)良品質(zhì)性狀的QTL。研究方案（擬采用的研究方法、步驟和技術(shù)路線）（1）性狀評(píng)價(jià)：農(nóng)藝性狀（株