海岛棉CSSLs分子评价及纤维品质、产量性状QTL定位

本课题组前期以陆地棉中棉所8号(CCRI8)为轮回亲本, 海岛棉Pima 90-53为供体亲本培育了一套陆地棉中棉所8号为背景的海岛棉染色体片段置换系(CSSLs), 本研究利用SSR标记对该置换系群体BC₃F₅进行基因型检测, 在3个不同环境下(河北保定、青县和新疆轮台)鉴定其纤维品质和产量相关性状并进行QTL定位。该置换系群体包含182个家系, 置换片段数在1~15个之间, 平均为6.6个; 导入片段长度在0.7~83.2 cM之间, 平均长度为16.8 cM; 置换片段总长度20 249.6 cM; 背景回复率在92.3%~99.6%之间, 平均为96.2%。共检测出59个相关的QTL, 其中与纤维品质性状相关的41个, 单个QTL的贡献率为1.27%~26.66%; 与产量性状相关的18个, 单个QTL的贡献率为2.03%~19.38%; 检测到14个稳定的QTL, 其中4个马克隆值和2个纤维伸长率相关的稳定QTL增效基因均来自高值亲本海岛棉Pima 90-53, 2个铃重相关的稳定QTL增效基因来自高值亲本陆地棉中棉所8号。研究结果为深入开展纤维品质和产量性状的QTL精细定位、QTL间互作和分子育种提供了理论依据。     

渐渗系IL6的遗传评价和渗入片段的鉴定

 用海岛棉3-79的6号染色体渐渗系(简称IL6)和背景亲本TM-1构建了F₂、F_2：3群体,在2年的田间重复实验中调查了18个重要农艺性状,作遗传评价。并获得F₂群体的分子数据,进行QTL定位和单标记分析。结果表明:亲本IL6中的渐渗片段,组成有3-79的6号染色体,3-79的非6号染色体和大部分的TM-1片段。IL6的产量、品质性状都优于受体亲本TM-1,遗传分析也发现产量、品质性状增效基因位点来自IL6,说明所渗入片段起着关键作用。亲本农艺性状表现和遗传分析结果表明,IL6渗入片段含有总铃数、单株铃数、衣分、果枝数、比强度、麦克隆值等性状的主基因。而QTL定位和单标记分析结果显示,IL6渗入片段含有单株铃数、衣分、果枝数、株高、子指、整齐度等性状的QTLs。     

利用高代回交和分子标记辅助选择构建棉花染色体片段代换系

染色体片段代换系(chromosome segment substitution lines,CSSLs)又叫导入系(introgression lines,ILs),是在相同的遗传背景中导入供体亲本的染色体片段,如果代换系中只含有一个来自供体亲本的染色体片段则称为单片段代换系(single segment substitution lines,SSSLs).本实验利用陆地棉栽培种CCRI221(中棉所45)为受体,海岛棉海1为供体,通过高代同交和分子标记辅助选择相结合的方法,构建了1个由116个家系组成的染色体片段代换系群体.利用分布在棉花基冈组25个连锁群上的276个多态性标记对BC4F1世代进行检测.这些标记覆盖了棉花基因组2 347 cM,占棉花基冈组4 450 cM的52.7%.在每个家系中,代换片段最多的55个,最少的15个,平均32.92个,覆盖棉花基因组180.7～969 cM的,平均覆盖了502 cM.占检测长度(2 347 cM)的21.4%.在各家系中,每个连锁群平均包含0.1～8_3个海岛棉片段,平均覆盖每个连锁群0.2～54.2 cM,占每条连锁群被检测长度0.5-207 cM的10.3%～35.5%.本研究为棉花染色体单片段代换系的创制奠定了基础.     

烟草染色体片段代换系的构建与遗传评价

以综合性状优良的烤烟种质Y3为轮回亲本,抗烟草黑胫病(0、1号生理小种)和赤星病的雪茄烟种质Beinhart1000-1及优质烤烟品种K326为供体亲本,连续回交并结合分子标记辅助选择,构建国内外第一套由256个具有烤烟Y3遗传背景并渐渗有Beinhart1000-1和K326染色体片段株系代换系群体。该群体携带377个代换片段,分布于烟草24条连锁群上。每个株系携带1~5个代换片段,代换片段长度介于0.05~36.88 cM,平均长度7.75 cM。代换片段重叠累加总长度为2922.57 cM,是烟草基因组总长度的2.61倍。代换片段覆盖总长度为1114.32 cM,烟草基因组覆盖率为99.45%。本研究构建的片段代换系可用于烟草基因定位、复杂性状的QTL分析和标记辅助选择育种。     

利用置换系检测棉花第22染色体短臂的产量相关性状QTLs

CSB22sh为以陆地棉(Gossypium.hirsutum L.)遗传标准系TM-1为背景的第22染色体短臂被海岛棉(Gossypium.barbadense L.)Pima3-79置换的海陆置换系。TM-1与CSB22sh杂交,构建了104个F2单株的作图群体,应用6748对SSR引物对亲本进行分子标记筛选,获得90个多态性标记位点。其中85个标记位点构建了总长85.24 cM的遗传图谱,标记间平均距离1.0 cM,覆盖棉花基因组的1.8%。通过复合区间作图法对F2:3和F2:4家系的7个产量相关性状(衣分、铃重、子指、株高、第一果枝节位、单株铃数、单株果枝数)进行QTL检测,共检出28个不同QTLs,解释性状表型变异的3.5%～44.8%。仅在一个环境中检测到的QTLs有17个,2个环境同时检测到的QTLs有8个,3个环境同时检测到的QTLs有3个。不同的QTL在相同区段的成簇分布表明,控制不同性状的基因可能紧密连锁或一因多效。检测到的稳定的QTL可以用于相应性状的分子标记辅助选择。     

越光/9311染色体片段置换系的构建及稻米黏滞性谱特征值QTL分析

研究以籼稻品种9311为受体亲本,粳稻品种越光为供体亲本构建染色体片段置换系(CSSLs)并对RVA谱特征值进行QTL定位,为稻米蒸煮食味品质的遗传改良创造理想条件。研究利用612对SSR标记对亲本(越光和9311)进行多态性筛选,使用检测出的多态性引物对染色体片段置换系株系进行鉴定。共鉴定出138个株系,并构成染色体片段置换系。该染色体片段置换系的水稻全基因组覆盖率达到89%,置换系群体中超过80%的株系携带的供体亲本染色体片段数少于5个,其中单片段置换系为51个,比例为36.95%。利用该群体共定位到位于6条不同染色体上9个区域的10个QTL,表型贡献率范围为8.85%~42.65%,其中q BDV-1、q PT-4.1、q PT-4.2和q CSV-3等4个QTL为首次报道。q HPV-2位于第2染色体上标记RM341与RM525之间,q BDV-2位于第2染色体RM341与RM1385标记之间,与该染色体上支链淀粉合成有关基因等位。本研究构建的CSSLs及定位的控制RVA谱特征值相关QTL,为稻米蒸煮食味品质的研究创造了有利条件。     

基于陆地棉背景的海岛棉染色体片段导入系产量性状QTL定位

棉花产量分为籽棉产量和皮棉产量,其中高皮棉产量总是育种的首要目标。皮棉产量由单株铃数、衣分、单铃重等因素组成。其中衣分在各因素中的遗传率最高,同时也是产量育种中重要的选择指标。育种中利用分离群体对单株铃数、铃重等产量性状选择受环境影响较大。利用染色体片段导入系进行铃数、铃重等产量性状的定位,定向改良产量性状,是棉花分子设计育种的有效方法。本研究利用陆地棉TM-1为轮回亲本和海岛棉海7124为非轮回亲本构建了一套陆地棉背景的染色体片段导入系,并在7个环境的田间试验下,鉴定了它们的产量表现,定位了28个与单株铃数、铃重、衣分和籽指相关的QTL。其中,在Dt亚组染色体上鉴定出的产量性状QTL多于在At亚组染色体上鉴定出的。28个QTL中,加性效应为正的16个,加性效应为负的12个,表明海岛棉不同的导入片段效应不同,有的片段可以提高陆地棉产量,有的则降低陆地棉产量。在6个环境下,导入系IL008(特征标记NAU2573和NAU3576)的衣分均显著高于轮回亲本TM-1,因此IL008可以应用于棉花分子育种,定向改良陆地棉的衣分。     

水稻单片段替换系群体的建立及QTL定位

水稻中许多重要的农艺性状属数量性状，由多基因(QTL)控制。研究QTL的遗传特性和遗传效应对于培育高产和稳产的水稻品种具有十分重要的意义。本研究以6个优良的品种为供体亲本，以华粳籼74为轮回亲本，通过微卫星标记辅助回交选择培育了一批单片段替换系，随后利用所培育的单片段替换系进行了QTL分析和基因定位。主要结果有：1、利用258个微卫星标记对6个供体亲本和轮回亲本间的多态性进行了筛选。6个供体亲本与轮回亲本间的多态率在32．98％至60．78％之间，平均47．81％，粳型供体亲本比籼型供体亲本的多态性要高。2、随着回交代数的增加，植株所含的替换片段数逐渐减少。在BC2F1、BC3F1、BC3F2和BC3F3代，平均每个植株携带有12．50、5．98、1．69和1．46个替换片段。替换片段的平均长度也随回交和自交代数的增加而逐渐变短。在BC2F1、BC3F1、BC3F2和BC3F3代，替换片段的平均长度分别为25．43cM、22．38cM、20．78cM和18．15cM.回交世代替换片段变短的速率(11．99％)比自交世代变短速率(7．15％)要快。在BC2F1、BC3Fl、BC3F2和BC3F3代，轮回亲本基因组的恢复率分别为82．24％、92．55％、98．04％j阳98．52％。3、在BC3F2和BC3F3代，共选育出111个单片段替换系，其中独一无二的单片段替换系共42个。BC3F2代替换系中替换片段的估算长度在2．00cM到64．80cM之间，平均为21．75cM，而BC3F3代中替换片段的估算长度在6．05cM到48．90cM之间，平均为20．95cMc，12条染色体中仅第11染色体没有选择到单片段替换系。所选育的单片段替换系中替换片段的总长为2367．50cM，基因组的覆盖长度为704．50cM，覆盖率为39．25％。4、在52个单片段替换系的22个性状中共鉴定出了234个QTL。每个性状鉴定出的QTL数在3到19个之间，平均4．50个。每个替换系鉴定出的QTL在2到15个之间，平均10．64个。QTL加性效应的大小因性状和替换系不同而不同，低至-0．02(0．79％)的加性效应(如谷粒宽度)均能检测到。在RM237．RM322、RM225和RM481标记附近的各种性状中同时检测到了增效和减效的QTL。5、通过染色体替换作图，对7个单片段替换系中16个性状的QTL进行了定位。利用携带有相同替换片段的替换系进行QTL位置的确定。6、通过分析复杂性状的加性效应，对影响植高、每穗粒数和粒型的相关性状进行了分析，分析QTL之间的相关性。7、对控制抽穗期、稃尖颜色、植株高度和粒型的基因进行了定位。抽穗期基因Hd-8表现为单基因显性遗传，定位于第8染色体上，与PSMl55紧密连锁。紫色稃尖基因Pa-6表现为单基因显性遗传，定位于第6染色体上，与RM253紧密连锁。株高基因Ph-1-3定位于第1染色体上，与PSM331紧密连锁。粒型基因Rlw-8-2为首次报道，定位于第8染色体的末端，与RM447紧密连锁，长粒表现为单基因隐性遗传。本研究通过分子标记辅助选择培育了一批单片段替换系，并成功地对这批材料进行了QTL分析和基因定位，从而证实了在水稻中通过微卫星标记辅助回交选育单片段替换系和进行QTL分析的可行性。     

利用黄褐棉染色体片段导入系定位产量和纤维品质性状QTL

陆地棉的遗传基础狭窄,阻碍了棉花的遗传改良进程。为有效拓宽陆地棉的遗传基础,本试验利用野生种黄褐棉(AD4)为供体亲本,以综合性状优良的B0011品系为受体亲本(国审棉华杂棉H318的亲本之一),构建了含71个株系的导入系BC5S5群体。基于SLAF-seq的基因分型和多年多点田间试验的综合分析表明,该导入系在产量和纤维性状方面具有很大的变异,共检测到48个QTL,其中包含19个产量和29个纤维构成因素相关的QTL。在At亚组检测到9个性状的32个QTL,在Dt亚组为16个。进一步对QTL加性效应方向分析显示,其中有30个QTL的加性效应为正,18个QTL的加性效应为负。本研究结果为利用黄褐棉重要农艺性状有利等位基因改良陆地棉产量和品质奠定了基础。     

水稻单片段替换系群体的建立及QTL分析

农作物大多数性状都是由多基因控制的数量性状，对数量性状基因座(quantitative trait loci，QTL)进行鉴定和定位对作物遗传育种具有重要意义。单片段替换系(single segment substitlationulines，SSSI。)消除了遗传背景的干扰，是用于QTL分析的重要试验材料。本研究以6个水稻品种为供体，利用回交和微卫星标记辅助选择相结合的方法，建立了以华粳籼74为遗传背景的水稻单片段替换系群体，并选用其中的59个单片段替换系对水稻24个重要农艺性状的QTL进行了鉴定；还利用一个单片段替换系的次级分离群体对抽穗期基因Hd-3-1进行了定位。主要试验结果如下：1 对供体亲本苏御糯、IR64、IRAT261、成龙水晶米、Lemont和IAPAR9与华粳籼74之间的微卫星标记多态性进行了检测，6个供体亲本与华粳籼74之间的多态率分别为56．33％、34．93％、59．31％、33．19％、55．90％和56．55％。2 对回交的遗传效应进行了分析，在BC2F1和BC3F1单株中检出替换片段的平均数分别为8．93个和4．37个，在BC2F1和BC3F1单株中检出替换片段的平均长度分别为32．23cM和27．63cM，BG2F1和BC3F1受体亲本基因组的回复率分别为81．55％和92．32％。3 建立了118个以华粳籼74为遗传背景的单片段替换系，其中包括86个不同的单片段替换系。这些单片段替换系分布于水稻12条染色体上，10号染色体上的单片段替换系最多，有16个。单片段替换系中替换片段的平均长度为23．0cM，全部单片段替换系对水稻基因组的覆盖率为57．11％。4 利用59个单片段替换系对水稻24个重要农艺性状的QTL进行了鉴定，总共鉴定出了248个QTL，分别为25个抽穗期QTL、1个有效穗数QTL、13个穗颈长QTL、16个株高QTL、5个穗长QTL、7个倒一节间长QTL、8个倒二节间长QTL、4个倒三节间长QTL、7个倒四节间长QTL、12个剑叶长QTL、22个剑叶宽QTL、13个倒二叶长QTL、14个倒二叶宽QTL、4个倒三叶长QTL、12个倒三叶宽QTL、14个一次枝梗数QTL、2个二次枝梗数QTL、5个总粒数QTL、10个结实率QTL、6个着粒密度QTL、11个粒长QTL、13个粒宽QTL、11个粒形QTL、13个粒重QTL。5 利用替换作图法对一些QTL进行了定位，将其中22个QTL定位在10cM的区段以内。6 利用一个单片段替换系的次级分离群体，将完全显性早熟基因Hd-3-1定位在3号染色体短臂上，微卫星标记PSM304、PSM305和PSM306位于Hd-3-1靠近短臂末端的一侧，与Hd-3-1的遗传距离分别为2．4cM、2．7cM和3．3cM；RM569和RM231位于另一侧，与Hd-3-1的遗传距离分别为5．1cM和8．9cM。本研究建立了单片段替换系的构建和QTL鉴定的试验技术体系，为分子标记技术应用于作物遗传育种提供了新的思路和途径。     

Improving Fiber Quality Traits of Xinluzao 45 Using Gossypium barbadense Chromosome Segment Substitution Lines

Gossypium barbadense chromosome segment substitution lines could be used as an important germplasm resource for improving fiber quality traits of upland cotton. In this study, we used TM-1 background substitution lines CSSL-122, the Xinjiang upland cotton Xinluzao 45 and hybrid, backcross progeny BC₂F₁ populations comprising 120 individual plants as test materials. Nineteen SSR markers located in Gossypium barbadense chromosomes land inked with fiber length and strength were used to screen out obvious polymorphic primers between the parents. We then traced and detected chromosome segments of Gossypium barbadense in the BC₂F₁ populations. Simultaneously, we compared fiber quality traits of positive plants that contained Gossypium barbadense chromosome segments with non-positive plants in the BC₂F₁ populations. The results showed that two markers, NAU2987 and BNL3145, which were linked with fiber length, could accurately identify the positive plants. In addition, compared with non-positive plants, the increased fiber length and strength of the positive plants were very significant (P < 0.01). Our research suggested that alien Gossypium barbadense chromosome segments significantly improved the fiber quality traits of Xinluzao 45. Thus, the Gossypium barbadense chromosome segment substitution lines will provide a vital theoretical basis and practical reference for improving Upland Cotton fiber quality traits.     

利用海岛棉染色体片段导入系定位衣分和籽指QTL

以染色体片段导入系IL-15-5和IL-15-5-1构建的F2和F2:3分离群体,利用SSR标记对数量性状衣分和籽指QTL进行了定位。应用复合区间作图法分析两个组合的774个F2单株和F2:3家系衣分和籽指,检测到2个衣分的QTL,1个籽指的QTL。衣分QTLqLP-15-1在两世代中都被检测到,位于相同的分子标记置信区间JESPR152～NAU3040,置信的遗传距离分别为5.40cM和3.20cM;qLP-15-2只在F2:3中被检测到,位于分子标记NAU5302～NAU2901之间,置信的遗传距离为0.08cM。籽指QTLqSI-15-1在F2和F2:3中都被检测到,分别位于分子标记NAU2814～NAU3040和JESPR152～NAU3040,置信的遗传距离分别为6.70cM和5.70cM。利用染色体片段导入系能准确地定位产量组分的QTL,为棉花产量的分子设计育种奠定基础。     

大麦染色体1H至7H外源基因渗入系的构建及其分析

以96对SSR引物对BC₃F₂群体进行辅助筛选,构建了一组基本覆盖野生大麦ISR42-8染色体,并导入轮回亲本Scarlett的1H~7H全基因组的外源基因渗入系,为大麦QTL精细定位提供了良好的作图群体。这组渗入系一共66个,目标片段平均长度为27.6 cM,最长的系IL-52片段长度为100.5 cM,最短的系IL-50片段长度为1.5 cM。含单个渗入片段的有33个系。聚类分析结果表明,66个渗入系的遗传背景高度相似,遗传相似系数变幅为0.708~1.000,平均值为0.917。检测到一个位于4H染色体87.5 cM到110.0 cM区间的分蘖相关QTL,长度为22.5 cM,其中包含多态标记MGB396。     

Genetic effects of nine <Emphasis Type="Italic">Gossypium barbadense</Emphasis> L. chromosome substitution lines in top crosses with five elite Upland cotton <Emphasis Type="Italic">G. hirsutum</Emphasis> L. cultivars

Crosses between Gossypium barbadense L and Gossypium hirsutum L. (Upland cotton) have produced limited success in introgressing fiber quality genes into the latter. Chromosome substitution lines (CSBL) have complete chromosomes or chromosome arms from G. barbadense, line 3-79, substituted for the corresponding chromosome or arms in G. hirsutum in a near isogenic background of TM-1. We top crossed nine CSBL and their parents (TM-1 and 3-79) with five cultivars. Parental lines and their F₂ populations were evaluated in four environments for agronomic and fiber quality traits. The CSBL and their F₂ hybrids showed wide ranges for both agronomic and fiber traits of economic importance. Genetic analysis showed that additive variances were larger than dominance variances for lint percentage, boll weight, lint yield, fiber length, strength, elongation, micronaire, and yellowness; whereas, dominance variances were larger than additive variances only for uniformity of fiber length and equal for fiber reflectance. For all traits, except boll weight and lint yield, significant additive effects of one or more chromosomes from 3-79 in TM-1 background were greater than the corresponding TM-1 chromosome. In addition, we identified specific chromosomes from G. barbadense (3-79) that carry alleles for improvements in specific fiber quality traits in Upland cotton. Favorable additive effects of individual chromosomes or chromosome segments from 3-79 relative to corresponding chromosomes or chromosomes segments from TM-1 were identified in this study as follows: Lint percentage, chromosome/arms 10, 16-15; longer fibers, chromosome/arms 01, 11sh, 26Lo; more uniform fibers, chromosomes/arms 01, 11sh, 10, 17-11; stronger fibers, chromosome/arms 01, 11sh, 12sh, 26Lo, 17-11; fiber elongation, chromosomes/arms 01, 11sh, 26Lo, 10, 17-11; reduced fiber micronaire, chromosome/arms 01, 12sh, 4-15, 16-15, 17-11; fibers with more reflectance, chromosome/arms 10, 4-15, 16-15, 17-11; fiber with less yellowness, chromosome arms 4-15, 17-11. Based on the present study, we concluded that by using CSBL, favorable fiber quality alleles can be introgressed into Upland cotton, thus greatly improving the breeder’s ability for improvement of Upland cotton for a variety of traits. These data should provide useful genetic information to the cotton breeding industry at large.     

棉花BC_5F_2代换系的产量及品质相关性状表型分析及QTL定位

本研究利用生产上推广的优良早熟陆地棉栽培品种中棉所36为受体亲本,海岛棉海1为供体亲本,选择培育了一套由303个单株组成的BC5F2代换系。从已构建的BC1F1遗传图谱上以5~10cM为标准挑选391对多态性标记进行分子检测,多数单株含有海岛棉代换片段数为2~10个。对该群体的单株产量、品质性状进行了表型鉴定,存在大量具有优良品质的单株,纤维强度最高的能达到37.8cN/tex,铃重、衣分、纤维长度、整齐度、马克隆值、伸长率及纤维强度超轮回亲本分别为17.82%、44.55%、46.86%、33.33%、74.92%、41.58%、42.57%。采用性状-标记间的单向方差分析,共定位了20个与产量性状和33个与纤维品质性状有关的QTL,其中qUN-14-2、qBW-2-20、qFL-2-20和qMV-1-38这4个QTL存在一定的遗传稳定性。鉴定的QTL大多是微效基因,解释表型变异为3.01%~9.69%,该研究为染色体单片段代换系的精细的分子研究奠定了基础。     

Construction of a genetic linkage map and QTL analysis of fiber-related traits in upland cotton (Gossypium hirsutum L.)

A genetic linkage map with 70 loci (55 SSR, 12 AFLP and 3 morphological loci) was constructed using 117 F₂ plants obtained from a cross between two upland cotton cultivars Yumian 1 and T586, which have relatively high levels of DNA marker polymorphism and differ remarkably in fiber-related traits. The linkage map comprised of 20 linkage groups, covering 525 cM with an average distance of 7.5 cM between two markers, or approximately 11.8% of the recombination length of the cotton genome. The present genetic linkage map was used to identify and map the quantitative trait loci (QTLs) affecting lint percentage and fiber quality traits in 117 F_2:3 family lines. Sixteen QTLs for lint percentage and fiber quality traits were identified in six linkage groups by multiple interval mapping: four QTLs for lint percentage, two QTLs for fiber 2.5% span length, three QTLs for fiber length uniformity, three QTLs for fiber strength, two QTLs for fiber elongation and two QTLs for micronaire reading. The QTL controlling fiber-related traits were mainly additive, and meanwhile including dominant and overdominant. Several QTLs affecting different fiber-related traits were detected within the same chromosome region, suggesting that genes controlling fiber traits may be linked or the result of pleiotropy.     

棉属野生种克劳茨基棉(Gossypium klotzschianum)基因组向陆地棉的渐渗

 棉花远缘种质是改良栽培种的丰富资源,野生种遗传变异的有效利用依赖于鉴定并渐渗理想的野生种DNA进入栽培种的能力。为了检测二倍体野生种克劳茨基棉染色质在陆地棉中的渐渗情况,构建了一个来自于（陆地棉×克劳茨基棉）×陆地棉的BC₁ F₂群体,并用320个覆盖棉花基因组的SSR标记来监测外源种质的转入;只有38个标记在BC₁F₂群体中显示了分离,这些标记分布于14条染色体,组成了18个渐渗片段;通过比较发表的棉花遗传图谱,这18条渐渗片段的总长为595 cM;同时两个形态性状（黄色花瓣和开放花蕾）被定位于13号染色体。通过分子和形态鉴定,结果证实克劳茨基棉染色质已被渐渗进陆地棉遗传背景中。利用这种特异的标记将会促进理想的外源基因转入栽培棉。