棉花纤维品质QTL定位研究进展

叶泗洪　吴德祥　路曦结　添长久　潘宗瑾　杨华　吴春

摘要：为了倡导我国棉花生产以中高端品质为主，破解“洋棉入市、国棉入库”的困境，通过查阅资料和课题调研，综述了我国棉花产业行情、棉花纤维品质现状、棉花分子标记种类和棉花纤维品质QTL初级定位、QTL精细定位及相关研究进展，旨在促进棉花分子育种、基因组选择研究的提升。

关键词：棉花；分子标记；QTL定位；纤维品质

中图分类号： S562 文献标识码：A 文章编号：2095-3143（2017）01-0002-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2017.01.001

0 引言

棉花是世界上第一大纤维作物和第二大油料作物。中国不但是一个产棉大国，也是用棉大国，棉花生产在国民经济中具有极其重要的地位。随着纺纱工业技术的不断革新，对棉纤维品质的要求也在不断提高，优质成为棉花育种的新目标[1]。棉花品质性状属于数量性状，其表现型是基因型与环境共同作用的结果；因此对数量性状的遗传操纵能力决定了作物育种的效率[2]。近年来，生物技术的发展为作物性状改良提供了新的途径，通过转基因或分子标记辅助选择技术，可从分子水平上操作目标基因，实现对目标性状的改良[3-5]。

农业部纤维检测中心（安阳）唐淑荣，等[6-7]对三大棉区纤维品质进行调查，提出我国棉花比强度有待进一步提高，同时棉花纤维品质结构需优化升级。2016年11月28日，由中国农业科学院主办，中国农业科学院棉花研究所、新疆生产建设兵团第七师、新疆生产建设兵团第一师、新疆昌吉国家农业科技园区管委会、江苏联发集团股份有限公司和河南永安纺织有限公司等单位联合承办的国家棉花产业联盟成立大会在北京召开。国家棉花产业联盟的发展目标是通过科研—生产—加工—流通—纺织等全产业链的通力合作，探索建立棉花生产供给新模式，改变传统的“小而分散”生产方式，推动棉花产业供给侧结构性改革，引领棉产业向“中高端品质”发展，提升我国棉花产业水平和国际竞争力。联盟的成立对于我国棉花产业的一大积极影响在于：联盟的形式有利于冲破原有产业链体制机制的桎梏，有利于打破我国棉产业由来已久的“生产跟科研分割”、“生产跟加工、流通分割”的尴尬局面。当前我国棉花种植业面临“地板升高而天花板下压”的困境，国际竞争力不强，亟需提质增效、转型升级，联盟以全国涉棉产业协同创新之力，瞄准棉花产业的重大问题，促进我国棉产业高质量发展。国家棉花产业联盟理事长、中国农业科学院棉花研究所所长李付广说：我国每年花260亿元补贴棉花生产，却面临“洋货入市、国货入库”的困局。纺织企业不愿用国产棉并非崇洋媚外，而是国产棉的生产与需求严重脱节，高等级棉严重短缺，低等级棉严重过剩，临时收储政策又成了棉花品质下降的“催化剂”，因此，要力争用5～10年的时间，在我国主产棉区打造出33.3万～66.7万hm2、产能60～120万吨的中高端品质原棉生产基地（相当于1～2个澳大利亚的棉花产能规模）。

1 分子标记研究进展

分子标记发展经过第一代（RFLP为代表）、第二代（SSR为代表）及第三代（SNP为代表）的发展历程。与AFLP、RFLP、RAPD和SSR标记相比，SNP （ Single nucleotide polymorphism） 即单核苷酸多态性，具有密度高、代表性强、遗传稳定性好和易于实现自动化分析检测等优点，现已广泛应用于植物遗传连锁图谱构建、生物物种起源与亲缘关系以及生物多态性的研究等方面。同时SNP标记的发展促进了关联分析、遗传图谱、基因定位等对植物复杂数量性状的遗传研究。研究证明：多数SNP变异与基因功能密切相关，通过关联分析可以发掘这些功能型位點变异并应用于作物遗传育种。随着SNP 研究的迅猛发展，以及基因芯片技术和第二代、第三代高通量测序技术的发展，自动化程度更高的第三代SNP 标记已迅速取代SSR、RFLP 等传统标记，在模式动植物和重要农作物中将发挥着越来越重要的作用[8]。四倍体陆地棉全基因组测序[9-10]的完成为棉花基因组分析提供了参考序列、发掘功能基因并开发相应的功能标记。韩治国，等[11]根据已发表的亚洲棉FIF1基因，设计特异引物，克隆了陆地棉和海岛棉中的FIF1基因，并将该基因定位在四倍棉花遗传图谱上。Robert，等[12]开发了四倍体棉花的SNP标记，并进行了定位。Wang，等[13]利用GBS测序构建包含499万个SNP位点覆盖4024 cM的棉花遗传图谱。但棉花基因组测序、转录组测序、小RNA测序等技术兴起后，产生的大量序列资源和新的SNV突变位点，加之SNP技术的诸多优点，因此，探索、突破SNP标记开发及检测体系至关重要，应用前景会非常广阔。

2 棉花纤维品质QTL初级定位

棉花品质性状属于数量性状，其表现型是基因型与环境共同作用的结果；因此对数量性状的遗传操纵能力决定了作物育种的效率。传统育种为棉花纤维品质的改良发挥了重大作用，但进度相对较慢、效率较低；近年来，生物技术的发展为作物性状改良提供了新的途径，通过转基因或分子标记辅助选择技术，可从分子水平上操作目标基因，实现对目标性状的改良。有必要通过数量基因座（quantitative trait locus， QTL）的定位，分子标记辅助选择，候选基因的鉴定筛选等分子手段提高棉花纤维品质改良的效率。

纤维强度是棉花主要的品质性状，前人利用不同的群体定位了许多关于纤维强度的QTL。Chuanfu An，等[14]利用陆陆杂交组合MD17/FM966 F2检测到1个控制纤维强度QTL，位于第16染色体上，标记能解释的表型变异为11.1%。孙福鼎，等[15]利用陆陆杂交组合0-153/sGK9708的F2、F2：3和重组自交系三个世代，重复检测到控制纤维强度QTL中有2个，分别被定位在第7和25染色体上，所得标记解释的表型变异为14.25%～27.86%。张正圣，等[16]应用陆陆杂交组合T586/Yumian1的重组自交系群体检测到2个控制纤维强度QTL，位于第6和第7染色体上，所得标记解释的表型变异为10.2%～31.8%。贺道华，等[17]利用陆陆杂交组合Handan208/Pima90的F2分离群体，检测到3个纤维强度QTL，分别位于A02和第23染色体上，所得标记解释的表型变异为15.26%～37.12%。沈新莲，等[18]利用陆陆杂交组合7235/TM-1的重组自交系群体，检测到7个控制纤维强度的QTL，分别位于A10、D7、D9、D6和D8染色体上，所得标记解释的表型变异为4.31%～16.15%。Russell J，等[19]利用陆海杂交组合TM-1/3-79的F2分离群体，检测到4个控制纤维强度的QTL，分别位于染色体3b、14b、15a和25b上，共计解释35%表型变异。Shappley，等[20]利用陆陆杂交组合HS46/MARCABUCAG8US-1-88的F2分离群体，检测到7个控制纤维强度的QTL。Jiang，等[21]利用陆海杂交组合CAMD-E/seabery的F2分离群体，检测到3个控制纤维强度的QTL。Wang，等[22]利用达尔文氏棉和4个栽培品种杂交，获得一套导入系，再利用已发表的海陆群体图谱上锚定的SSR标记进行纤维品质QTL定位，结果表明其中的40个标记和纤维品质相关，解释表型变异平均为6.31%。Yu，等[23-24]用海陆回交自交系群体在两个环境中同时检测到了一个控制纤维强度的稳定QTL，位于11号染色体上，解释表型变异为14.95%。Cao，等[24]利用一套染色体片段置换系，将纤维强度、比强度、马克隆值等QTL导入新疆棉花品种新陆早26号、新陆早41号、新陆早42号中去。以上研究结果为研究纤维强度QTL在棉花基因组上分布特点以及通过分子标记辅助育种创制新材料奠定了基础。

3 棉花纤维品质QTL次级定位

棉花纤维品质性状方面，研究者开展了很多QTL定位工作。但大多是利用初级群体进行QTL定位，通常存在几个问题：①精确度不高，定位缺乏准确性，无法区分目标区段是一个效应较大的基因还是一簇紧密连锁的效应较小的QTL[26-27]；②遗传率较低，对表型效应贡献较少的QTL常常不能被准确鉴定出来[28]；③背景噪声对QTL定位的精确性产生较大的影响[29]。为了克服初级群体在QTL上的缺点，提高QTL定位的准确性，从而发展了次级分离群体。染色体片段导入系是目前棉花上应用最为广泛的次级群体之一，除目标基因所在座位的局部区域外，基因组其余部分都是相同的，在这样的材料間找到的多态性标记才可能与目标基因紧密连锁，是QTL精细定位和图位克隆的一类理想材料[30]。

为了克服初级群体在QTL上的缺点，提高QTL定位的准确性，从而发展了次级分离群体。染色体片段导入系是目前棉花上应用最为广泛的次级群体之一，除目标基因所在座位的局部区域外，基因组其余部分都是相同的，在这样的材料间找到的多态性标记才可能与目标基因紧密连锁，是QTL精细定位和图位克隆的一类理想材料。Paterson，等[31-32]利用回交群体将番茄几个重要性状的QTL定位在大约20 cM的区段内，通过选择性地构建了QTL-NIL，用代换作图法将这些QTL进一步定位在3 cM内的区段。Yamamoto，等[33]利用小麦抽穗期QTL，Hd1、Hd2、Hd3分别建立了单个QTL的次级分离群体，将这3个QTL都分解为单个孟德尔因子，并进行了精细定位。Su，等[34]利用758个棉花海陆置换系精细定位了1个控制纤维强度的QTL QFS D11-1，位于棉花第21染色体上，解释表型变异为35.8%，和分子标记NAU2950紧密连锁、遗传距离为0.6 cM。利用染色体片段导入系对QTL进行精细定位后，就能进一步对QTL进行克隆。

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