利用棉纖維發(fā)育相關(guān)基因研究不同棉種的起源與進化.pdf

1、棉花是世界性重要的經(jīng)濟作物.在植物分類學上,所有野生和栽培的棉種都屬于被子植物的錦葵目(Malvales)、錦葵科(Malvaceae)、棉族(Gossypieae)、棉屬(Gossypium)。棉屬植物的分類研究已有近百年的歷史.最有權(quán)威的棉屬分類結(jié)果由美國植物學家Fryxell在1992年提出,主要包括4個亞屬,8個組,9個亞組,50個種,其中45個二倍體種和5個異源四倍體種.異源四倍體種是由二倍體 A染色體組棉種和D染色體組棉種種

2、間雜交而成的,其中海島棉和陸地棉已被馴化為栽培種.陸地棉的產(chǎn)量高,適應性廣,纖維品質(zhì)中等,因其高產(chǎn)及對環(huán)境和生產(chǎn)的普遍適應性,目前世界上97％的棉纖維都產(chǎn)自陸地棉；而海島棉的特點是纖維品質(zhì)優(yōu)良,說明與優(yōu)質(zhì)纖維品質(zhì)相關(guān)的基因在海島棉中高效表達,但海島棉產(chǎn)量低、適應性差,因而限制了其種植范圍.陸地棉,海島棉兩者雜交的F1部分可育,但生育期長,且兩者雜交的后代表現(xiàn)典型的種問雜種向兩極瘋狂分離.
　　 目前普遍認為異源四倍體棉種的A染色

3、體組供體種是草棉(G.herbaceum)。而對于異源四倍體棉種的D染色體組供體種目前并沒有統(tǒng)一的認識.盡管海島棉和陸地棉是兩大四倍體栽培棉種,但這兩個栽培種的農(nóng)藝性狀,特別是纖維品質(zhì)差異很大.因此,在本研究中,基于EST—SSR標記和已克隆的與棉纖維發(fā)育相關(guān)基因信息進行四倍體棉種D染色體亞組供體種來源,陸地棉和海島棉棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的結(jié)構(gòu),表達特征等方面系統(tǒng)分析,為進一步闡明海陸種間分化的機理奠定基礎.研究結(jié)果如下:
　　

4、Guo等(2007a)在利用EST-SSR引物加密本實驗室的遺傳圖譜時,發(fā)現(xiàn)來源于雷蒙德氏棉的 EST-SSR引物在陸地棉和海島棉之間的多態(tài)性遠高于來源于亞洲棉和陸地棉的EST-SSR引物所產(chǎn)生的多態(tài)性。本研究基于上述研究結(jié)果,選擇14對來源于雷蒙德氏棉的EST-SSR引物和23個供試棉種(2個二倍體A染色體組棉種、13個二倍體D染色體組野生種和8個異源四倍體材料)來研究棉屬二倍體D染色體組棉種之間的親緣關(guān)系,以及異源四倍體棉種D染色體

5、亞組的供體種.來源于雷蒙德氏棉的14對EST-SSR引物在23個棉種中共獲得了438個擴增條帶,每個條帶都被克隆、測序并分別對測序結(jié)果的SSR重復區(qū)和側(cè)翼保守序列進行分析,然后將所有引物的側(cè)翼序列進行重組,重組后的序列用于堿基替換率分析和構(gòu)建進化樹.對染色體亞組與其祖先種之間的SSR區(qū)及其側(cè)翼序列進行比較,結(jié)果都是D染色體組和D染色體亞組的變異程度高于A染色體組和A染色體亞組.說明在進化過程中,A染色體組和A染色體亞組之間比D染色體組和

6、D染色體亞組更保守。進一步我們分別對13個二倍體D染色體組棉種、8個異源四倍體棉種及所有23個供試棉種的側(cè)翼重組序列進行了進化樹的構(gòu)建,結(jié)果顯示,13個D染色體組棉種之間的關(guān)系與Fryxell(1992)的亞組分類相同.而D染色體組棉種與異源四倍體棉種D染色體亞組之間的關(guān)系表明,雷蒙德氏棉與所有異源四倍體棉種D染色體亞組的親緣關(guān)系最近.
　　 為了進一步了解棉纖維發(fā)育的分子機制,從而揭示海陸栽培種間纖維品質(zhì)差異的本質(zhì),本研究選取

7、NCBI上已登錄的18個與棉纖維發(fā)育相關(guān)基因和本實驗克隆的一個新的蔗糖合酶基因(SusA1),以阿非利加棉、雷蒙德氏棉、陸地棉遺傳標準系TM-1和海島棉7124的基因組DNA為模板,獲得基因的全長序列,對序列及結(jié)構(gòu)進行分析,并根據(jù)各部分同源基因在海島棉和陸地棉之間的PCR擴增多態(tài)性或SNP位點,利用本實驗[(TM-1×Hai7124)×TM-1]BC1群體,對19對部分同源基因進行了染色體定位研究,根據(jù)前人研究中已定位的QTLs與本研究

8、中的基因的染色體定位結(jié)果,進行這些基因表達特點與纖維品質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析。進一步根據(jù)TM-1和海7124序列之間的SNP位點設計亞組特異定量PCR引物,研究19個棉纖維發(fā)育相關(guān)基因在TM-1和海7124纖維發(fā)育中的表達譜,以及其部分同源基因的表達譜；推測這些棉纖維發(fā)育相關(guān)基因在海陸栽培種間分化中的作用,為纖維品質(zhì)改良的分子育種研究奠定基礎。
　　 在本研究的19個基因中,68.42％的基因序列及結(jié)構(gòu)在各棉種及染色體組間比較保守,而31

9、.58％的基因序列及結(jié)構(gòu)在各棉種及染色體組間變異比較大.對各基因在4個棉種中獲得的序列進行聚類,結(jié)果顯示在異源四倍體形成后,16個基因在四倍體的A染色體亞組和D染色體亞組之間是獨立進化的,而3個基因在兩染色體亞組之間發(fā)生了不同程度的殖民化。通過比較同一棉種內(nèi)不同染色體亞組之間及同一染色體亞組在不同棉種之間的進化速率,發(fā)現(xiàn)無論在TM-1還是海7124中都是D染色體亞組的進化速率大于A染色體亞組.同時無論是A染色體亞組還是D染色體亞組,TM

10、-1的進化速率都大于海7124.說明在漫長的進化歷史中,四倍體的D染色體亞組經(jīng)歷了較快的進化速率,而與TM-1相比,海7124與其祖先種的親緣關(guān)系更近一些.根據(jù)基因在TM-1和海7124之間的序列差異,26個重復基因被定位在本實驗室的遺傳圖譜上,并且在其定位區(qū)間內(nèi),檢測發(fā)現(xiàn)至少存在一個已報道的纖維品質(zhì)相關(guān)的QTLs.基因的表達譜分析顯示,在纖維起始及伸長早期,大部分基因在海7124中的表達量高于TM-1；在纖維伸長期,基因的表達模式顯示

11、多樣性,有的在陸地棉中的表達優(yōu)勢,有的在海島棉中表達優(yōu)勢,有的在陸地棉和海島棉中表達水平相同,但無論哪種表達模式,大部分基因的表達顯示8DPA是個例外,表現(xiàn)為在海島棉中的表達顯著高于陸地棉；在纖維發(fā)育初生壁到次生壁轉(zhuǎn)換期,大部分基因在陸地棉中的表達高峰早于海島棉中的表達高峰,暗示海島棉的纖維伸長期比陸地棉長,可能是導致其纖維品質(zhì)好于陸地棉的原因之一.進一步從亞組特異表達譜來看,大部分基因在陸地棉和海島棉之間具有相同的亞組表達模式,A或D