淺談棉花分子育種研究進展

葉泗洪+吳德祥+路曦結+添長久+潘宗瑾+馬曉杰

摘要：分子標記技術和QTL定位技術的迅速發(fā)展，使得以DNA多態(tài)性為基礎的分子育種技術的研究不斷深入，并在作物遺傳育種中得到了一些成功運用，為解決有關復雜性狀的選擇問題帶來了希望。本文綜述了棉花分子標記、QTL定位原理和方法、關聯(lián)分析、分子標記輔助選擇等相關研究進展，以期為棉花分子育種、基因組選擇研究奠定基礎。

關鍵詞：棉花；分子標記； QTL定位；關聯(lián)分析；分子標記輔助選擇

中圖分類號： S532. 035 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3143（2017）03-0016-04

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2017.03.004

0 引言

作物育種有賴于作物遺傳變異及利用恰當的選擇方式改良作物性狀，以適應消費者的需要[1]。近年來，生物技術的發(fā)展為作物性狀改良提供了新的途徑，通過轉基因或分子標記輔助選擇技術，可從分子水平上操作目標基因，實現對目標性狀的改良[2-5]。分子標記發(fā)展經過第一代（RFLP為代表）、第二代（SSR為代表）的歷程，新一代高通量測序技術和豐富的基因分型技術催生了第三代SNP的快速發(fā)展[6-7]。與AFLP、RFLP、RAPD和SSR標記相比，SNP（Single nucleotide polymorphism） 即單核苷酸多態(tài)性，具有密度高、代表性強、遺傳穩(wěn)定性好和易于實現自動化分析檢測等優(yōu)點，現已廣泛應用于植物遺傳連鎖圖譜構建、QTL定位以及生物多態(tài)性的研究等方面[6-7]。同時SNP標記的發(fā)展促進了遺傳圖譜、基因定位、關聯(lián)分析等對植物復雜數量性狀的遺傳研究[6-7]。探索、突破SNP標記開發(fā)及檢測體系至關重要，應用前景會非常廣闊，因此，作者綜述國內外棉花分子育種的研究情況，以期為棉花分子育種、基因組選擇研究奠定基礎，為我國棉花育種水平的提高發(fā)揮拋磚引玉的作用。

1 棉花分子標記研究進展

SNP標記的發(fā)展促進了遺傳圖譜、基因定位、關聯(lián)分析等對植物復雜數量性狀的遺傳研究，目前研究證明多數SNP變異與基因功能密切相關，通過基因定位、關聯(lián)分析可以發(fā)掘這些SNP位點信息并應用于作物遺傳育種[7]。

同時隨著棉花二倍體A基因組、D基因組序列先后公布[8-9]，棉花生物學研究迅速進入后基因組時代。2015年，棉花異源四倍體基因組陸地棉、海島棉基因組序列又相繼公布[10-12]。大量的測序信息、SNP位點和相關位點功能預測信息將為SNP標記的研究提供基礎。截止2017年3月10日，NCBI上面登錄棉花SNP位點共122361個，美國基因組網站（www.cottongen.org）也公布了8萬多條SNP序列、部分SNP標記。當前棉花標記CMD數據庫（cotton marker database，http：//www.cottonmarker.org）已收集了大量的標記[13]：包括17448個SSR以及從棉花EST中發(fā)掘的一千多個SNP，這些數字還在不斷增加。前人已開始關注棉花SNP研究：Robert[14]開發(fā)了共計11834個SNP位點，其中非基因組的有1679個，并將其中367個SNP標記定位在F2群體圖譜上；Yohn [15]構建了一張含有2072 個位點，含1825個SSR標記、247 SNP標記的海陸RIL遺傳圖譜。

2 QTL定位基本原理

QTL定位的理論依據是摩爾根的連鎖遺傳規(guī)律，首先是以分子標記基因型為依據，對分離群體中的個體進行分組，然后比較基因型不同的各組間目標性狀的差異顯著性，來推測影響該性狀的基因（QTL）與分子標記座位的連鎖關系及遺傳圖距。近年來研究數量性狀的基因定位的方法經歷了幾個發(fā)展階段，包括傳統(tǒng)的單標記分析方法（Single Marker Analysis，SMA）、基于兩個側鄰標記的區(qū)間作圖法（Interval Mapping，IM）、將幾個標記放到模型中作為參照以控制遺傳背景效應從而降低作圖誤差的復合區(qū)間作圖法（Composite Interval Mapping，CIM），以及近兩年新發(fā)展起來的多重區(qū)間作圖法（Multiple Interval Mapping，MIM）和基于混合線性模型的復合區(qū)間作圖法（The Mixed Linear Model，MLM）等。

3 棉花關聯(lián)分析研究進展

棉花屬于常異花授粉作物，Ibrokhim，等[16]對來自不同生態(tài)區(qū)的334個陸地棉種質進行LD分析，發(fā)現棉花的LD衰減距離為5～6 cM。所以如果對棉花基因組每隔5～6 cM選個標記，理論上可以進行genome-wide association studies（GWAS）關聯(lián)分析。Cai，等[17]利用97對標記引物對99份棉種進行棉花纖維品質的關聯(lián)分析，發(fā)現了107個標記性狀的顯著關聯(lián)，其中70個在2環(huán)境以上重演，這其中52.86%前人報道過。Wang，等[18]利用170個SSR標記和258個SRAP標記對55個海島棉的3個產量性狀和5個纖維品質性狀進行關聯(lián)分析，結果發(fā)現SSR標記和SRAP標記解釋的平均表型變異為8.89%、8.61%，其中標記NAU1164解釋表型變異最大，為23.33%。Mei，等[19]利用381對SSR標記對356個陸地棉品種產量性狀進行關聯(lián)分析，發(fā)現55個標記性狀連鎖。Jia，等[20]利651對SSR標記對9個環(huán)境的323份棉花品種的棉花產量性狀關聯(lián)作圖，研究了其上位性效應和環(huán)境互作效應。Du，等[21]利用145個SSR標記對304份棉花材料的10個種子萌發(fā)期和苗期耐鹽相關的生理生化指標進行關聯(lián)分析，檢測117個QTL位點。江蘇沿海地區(qū)農業(yè)科學研究所項目組前期定位的12號染色體上耐鹽相關QTL QST-12-1（基于SSR標記定位的、在A12染色體上、和NAU1151連鎖、解釋表型變異5.6%），這與Du ，等[21]結果一致。Su，等[22]基于GWAS分析發(fā)掘了棉花早熟性狀的SNP位點和候選基因。棉花80K SNP芯片已經定制完成并開始商業(yè)化應用，將為關聯(lián)分析在棉花遺傳和育種研究中的應用奠定基礎。

4 棉花分子標記輔助育種進展

作物育種由常規(guī)育種時代向分子育種時代邁進，兩者相互補充，相得益彰。植物分子育種包含分子標記輔助選擇（Molecular Marker-Assisted Selection，MAS），轉基因，品種分子設計（variety molecular design）（Johan等2003）。目前QTL定位的一個總的趨勢：基于次級作圖群體的精細定位、基于基因表達譜的eQTL 定位，基于動態(tài)分析的QTL定位，將使得QTL走向QTG（Quantitive Trait gene）將不再是夢想，從而達到圖位克隆QTL的目的，服務于作物育種與改良。

分子標記在作物育種中的直接應用是對重要性狀進行輔助選擇，即分子標記輔助選擇。它是利用與目標性狀基因緊密連鎖的分子標記進行間接選擇，是對目標性狀在分子水平的選擇，不受環(huán)境影響，不受等位基因顯隱性關系的干擾，選擇結果可靠；在聚合有利目標性狀的同時，可以在回交漸滲過程中，通過遺傳背景選擇，減少連鎖累贅，加速育種進程。MAS可在育種早代進行選擇，從而大大縮短了育種周期。但由于QTL定位存在一定的組合特異性，目前的選擇主要集中在原定位組合的雜交、回交后代或含有目標性狀QTL的親本組合的后代上[6]。

沈新蓮，等[23]（2001）從1個棉屬野生種異常棉（G anomalum）基因漸滲的優(yōu)質纖維種質系7235中篩選出1個高強纖維的主效QTL，有/無標記個體的平均纖維強度差異均達極顯著水平，研究證明僅利用鑒定出的1個主效QTL進行分子標記輔助選擇提高棉花纖維強度也是有效的。修飾回交育種法是將雜種品系間雜交和回交方法結合起來運用，用于棉花多個優(yōu)良性狀聚合的育種改良方法。郭旺珍，等[24]（2005）利用長江流域推廣品種泗棉3號和優(yōu)異纖維種質系7235為育種親本，配置了系統(tǒng)育種和修飾回交聚合育種兩套群體，通過分子標記對位于不同連鎖群上的2個QTL聚合選擇，其中選單株的纖維強度顯著提高。這些研究結果為利用分子標記輔助聚合優(yōu)質QTL提供了成功實例。

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