浅谈棉花分子育种研究进展

叶泗洪+吴德祥+路曦结+添长久+潘宗瑾+马晓杰

摘要：分子标记技术和QTL定位技术的迅速发展，使得以DNA多态性为基础的分子育种技术的研究不断深入，并在作物遗传育种中得到了一些成功运用，为解决有关复杂性状的选择问题带来了希望。本文综述了棉花分子标记、QTL定位原理和方法、关联分析、分子标记辅助选择等相关研究进展，以期为棉花分子育种、基因组选择研究奠定基础。

关键词：棉花；分子标记； QTL定位；关联分析；分子标记辅助选择

中图分类号： S532. 035 文献标识码：A 文章编号：2095-3143（2017）03-0016-04

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2017.03.004

0 引言

作物育种有赖于作物遗传变异及利用恰当的选择方式改良作物性状，以适应消费者的需要[1]。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[2-5]。分子标记发展经过第一代（RFLP为代表）、第二代（SSR为代表）的历程，新一代高通量测序技术和丰富的基因分型技术催生了第三代SNP的快速发展[6-7]。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、QTL定位以及生物多态性的研究等方面[6-7]。同时SNP标记的发展促进了遗传图谱、基因定位、关联分析等对植物复杂数量性状的遗传研究[6-7]。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，因此，作者综述国内外棉花分子育种的研究情况，以期为棉花分子育种、基因组选择研究奠定基础，为我国棉花育种水平的提高发挥抛砖引玉的作用。

1 棉花分子标记研究进展

SNP标记的发展促进了遗传图谱、基因定位、关联分析等对植物复杂数量性状的遗传研究，目前研究证明多数SNP变异与基因功能密切相关，通过基因定位、关联分析可以发掘这些SNP位点信息并应用于作物遗传育种[7]。

同时随着棉花二倍体A基因组、D基因组序列先后公布[8-9]，棉花生物学研究迅速进入后基因组时代。2015年，棉花异源四倍体基因组陆地棉、海岛棉基因组序列又相继公布[10-12]。大量的测序信息、SNP位点和相关位点功能预测信息将为SNP标记的研究提供基础。截止2017年3月10日，NCBI上面登录棉花SNP位点共122361个，美国基因组网站（www.cottongen.org）也公布了8万多条SNP序列、部分SNP标记。当前棉花标记CMD数据库（cotton marker database，http：//www.cottonmarker.org）已收集了大量的标记[13]：包括17448个SSR以及从棉花EST中发掘的一千多个SNP，这些数字还在不断增加。前人已开始关注棉花SNP研究：Robert[14]开发了共计11834个SNP位点，其中非基因组的有1679个，并将其中367个SNP标记定位在F2群体图谱上；Yohn [15]构建了一张含有2072 个位点，含1825个SSR标记、247 SNP标记的海陆RIL遗传图谱。

2 QTL定位基本原理

QTL定位的理论依据是摩尔根的连锁遗传规律，首先是以分子标记基因型为依据，对分离群体中的个体进行分组，然后比较基因型不同的各组间目标性状的差异显著性，来推测影响该性状的基因（QTL）与分子标记座位的连锁关系及遗传图距。近年来研究数量性状的基因定位的方法经历了几个发展阶段，包括传统的单标记分析方法（Single Marker Analysis，SMA）、基于两个侧邻标记的区间作图法（Interval Mapping，IM）、将几个标记放到模型中作为参照以控制遗传背景效应从而降低作图误差的复合区间作图法（Composite Interval Mapping，CIM），以及近两年新发展起来的多重区间作图法（Multiple Interval Mapping，MIM）和基于混合线性模型的复合区间作图法（The Mixed Linear Model，MLM）等。

3 棉花关联分析研究进展

棉花属于常异花授粉作物，Ibrokhim，等[16]對来自不同生态区的334个陆地棉种质进行LD分析，发现棉花的LD衰减距离为5～6 cM。所以如果对棉花基因组每隔5～6 cM选个标记，理论上可以进行genome-wide association studies（GWAS）关联分析。Cai，等[17]利用97对标记引物对99份棉种进行棉花纤维品质的关联分析，发现了107个标记性状的显著关联，其中70个在2环境以上重演，这其中52.86%前人报道过。Wang，等[18]利用170个SSR标记和258个SRAP标记对55个海岛棉的3个产量性状和5个纤维品质性状进行关联分析，结果发现SSR标记和SRAP标记解释的平均表型变异为8.89%、8.61%，其中标记NAU1164解释表型变异最大，为23.33%。Mei，等[19]利用381对SSR标记对356个陆地棉品种产量性状进行关联分析，发现55个标记性状连锁。Jia，等[20]利651对SSR标记对9个环境的323份棉花品种的棉花产量性状关联作图，研究了其上位性效应和环境互作效应。Du，等[21]利用145个SSR标记对304份棉花材料的10个种子萌发期和苗期耐盐相关的生理生化指标进行关联分析，检测117个QTL位点。江苏沿海地区农业科学研究所项目组前期定位的12号染色体上耐盐相关QTL QST-12-1（基于SSR标记定位的、在A12染色体上、和NAU1151连锁、解释表型变异5.6%），这与Du ，等[21]结果一致。Su，等[22]基于GWAS分析发掘了棉花早熟性状的SNP位点和候选基因。棉花80K SNP芯片已经定制完成并开始商业化应用，将为关联分析在棉花遗传和育种研究中的应用奠定基础。

4 棉花分子標记辅助育种进展

作物育种由常规育种时代向分子育种时代迈进，两者相互补充，相得益彰。植物分子育种包含分子标记辅助选择（Molecular Marker-Assisted Selection，MAS），转基因，品种分子设计（variety molecular design）（Johan等2003）。目前QTL定位的一个总的趋势：基于次级作图群体的精细定位、基于基因表达谱的eQTL 定位，基于动态分析的QTL定位，将使得QTL走向QTG（Quantitive Trait gene）将不再是梦想，从而达到图位克隆QTL的目的，服务于作物育种与改良。

分子标记在作物育种中的直接应用是对重要性状进行辅助选择，即分子标记辅助选择。它是利用与目标性状基因紧密连锁的分子标记进行间接选择，是对目标性状在分子水平的选择，不受环境影响，不受等位基因显隐性关系的干扰，选择结果可靠；在聚合有利目标性状的同时，可以在回交渐渗过程中，通过遗传背景选择，减少连锁累赘，加速育种进程。MAS可在育种早代进行选择，从而大大缩短了育种周期。但由于QTL定位存在一定的组合特异性，目前的选择主要集中在原定位组合的杂交、回交后代或含有目标性状QTL的亲本组合的后代上[6]。

沈新莲，等[23]（2001）从1个棉属野生种异常棉（G anomalum）基因渐渗的优质纤维种质系7235中筛选出1个高强纤维的主效QTL，有/无标记个体的平均纤维强度差异均达极显著水平，研究证明仅利用鉴定出的1个主效QTL进行分子标记辅助选择提高棉花纤维强度也是有效的。修饰回交育种法是将杂种品系间杂交和回交方法结合起来运用，用于棉花多个优良性状聚合的育种改良方法。郭旺珍，等[24]（2005）利用长江流域推广品种泗棉3号和优异纤维种质系7235为育种亲本，配置了系统育种和修饰回交聚合育种两套群体，通过分子标记对位于不同连锁群上的2个QTL聚合选择，其中选单株的纤维强度显著提高。这些研究结果为利用分子标记辅助聚合优质QTL提供了成功实例。

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