棉屬遺傳多樣性與栽培棉種間雜交研究

1、棉屬遺傳多樣性與栽培棉種間雜交研究棉屬(gossypium)有51個(gè)種，其中46個(gè)為二倍體棉種(2n=2X=2。，分屬A、RC、DE、F、G和K等8個(gè)染色體組,其中5個(gè)為異源四倍體棉種(2n=4X=52,AD染色體組),其余為二倍體棉種。棉屬中有四個(gè)栽培品種:亞洲棉(G.arboreum2n=26,A₂)、草棉(G.herbaccum2n=26,A₁)、陸地棉(G.hirsutum2n=52,AD₁)和海島棉(G.barbadense2n=52,AD<

2、sub>2</sub>),其余47個(gè)均為野生棉。棉屬栽培種和野生種是棉花遺傳改良的重要資源,開(kāi)展棉屬不同染色體組棉種間的親緣關(guān)系和遺傳多樣性研究,對(duì)于棉屬系統(tǒng)發(fā)育和棉花遺傳改良具有重要意義。棉屬多倍體是研究多倍體基因組進(jìn)化的良好材料,但是由于雜交和加倍后的多倍體進(jìn)化歷程和機(jī)理等原因,棉屬異源四倍體種進(jìn)化過(guò)程中的供體種也一直存在著爭(zhēng)議。為此,研究棉屬A、D染色體組和四倍體棉種的遺傳親緣關(guān)系,對(duì)于揭示異源四倍體棉種的供體種及其進(jìn)化歷程具有重要意義。本研究在研究棉屬不同染色體組棉種的遺傳親緣關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)育的同時(shí),將四個(gè)栽培棉種進(jìn)行雜交和染色體加倍,人工合成四元雜種,以獲得綜合四個(gè)親

3、本優(yōu)良性狀的棉花新種質(zhì),主要內(nèi)容如下:1.棉屬遺傳多態(tài)性的分子標(biāo)記研究：用分子標(biāo)記(SS旺口RAPD對(duì)棉屬24個(gè)種進(jìn)行了種質(zhì)資源遺傳多樣性研究,并用棉屬近緣植物楊葉肖槿為參考對(duì)照,從DN吩子水平上進(jìn)行棉屬親緣關(guān)系和系統(tǒng)分類(lèi)研究，并探討兩種標(biāo)記對(duì)于棉屬及近緣屬物種遺傳多樣性研究的效果。結(jié)果表明，從40條RAPDgl物和120對(duì)SSR引物中篩選出多態(tài)性高的引物分別為26條和49對(duì)。使用NTSYS-pc(Version2.00)軟件,采用Jaccards相似系數(shù)UPGMA進(jìn)行聚類(lèi),獲得的樹(shù)狀圖表明材料之間存在較大的遺傳多樣性,其中RAPD勺相似系數(shù)為0.69-0.96,SSR為0.57-0.97。對(duì)

4、異源四倍體棉種與A和D染色體組棉種的遺傳相似系數(shù)進(jìn)行比較，表明異源四倍體棉種與A染色體組中的草棉和亞洲棉相似系數(shù)都較高;與雷蒙地氏棉(G.raimondii)的遺傳相似系數(shù)顯著高于與其它參試的D染色體組棉種。研究結(jié)果說(shuō)明草棉和亞洲棉都為異源四倍體棉種可能的供體種,在四倍體棉種形成過(guò)程中草棉和亞洲棉起的作用是等比例的;而異源四倍體棉種的D染色體組供體種為雷蒙地氏棉。研究結(jié)果支持異源四倍體棉種單系統(tǒng)發(fā)育起源學(xué)說(shuō),A染色體組的草棉或亞洲棉與D染色體組的雷蒙地氏棉兩者雜交和染色體加倍后形成原始的異源四倍體棉種,并隨著地理和遺傳的趨異而分化形成不同的四倍體棉種。兩種分子標(biāo)記聚類(lèi)比較結(jié)果表明，SSR聚類(lèi)結(jié)

5、果更符合生物學(xué)分類(lèi)結(jié)果，是研究棉屬及近緣屬物種遺傳多樣性比較有效的分子標(biāo)記。2.四倍體棉種系統(tǒng)進(jìn)化的GISH分析：采用基因組原位雜交(GISR技術(shù)，用推測(cè)的供體種(A基因組的草棉和亞洲棉，D基因組的雷蒙地氏棉)分別做探針和封阻，用D基因組的其它野生二倍體種克勞次基棉(G.klotzschianum)和戴維遜氏棉(G.davidsonii)做對(duì)照,用異源四倍體棉種陸地棉和海島棉做靶染色體,對(duì)異源四倍體棉種進(jìn)行供體種鑒定和基因組進(jìn)化研究。結(jié)果表明,如果以草棉、亞洲棉和雷蒙地氏棉分別做探針和封阻,陸地棉或海島棉做靶染色體,可以清晰的將四倍體棉種中的A,D染色體組區(qū)分開(kāi),觀察到很強(qiáng)的26條紅色雜交信號(hào)

6、。同時(shí),GISH也顯示了部分染色體有紅藍(lán)兩種顏色，說(shuō)明異源四倍體陸地棉和海島棉在形成后的進(jìn)化過(guò)程中A和D染色體組間進(jìn)行了交換和重組。研究結(jié)果還表明,用草棉和亞洲棉為探針,雷蒙地氏棉封阻,陸地棉或海島棉做靶染色體,兩者之間的雜交信號(hào)沒(méi)有太大區(qū)別;而用克勞次基棉和戴維遜氏棉做探針,結(jié)果雖還可以觀察到雜交信號(hào),但信號(hào)較弱,紅色信號(hào)染色體均不到26條。GISH研究結(jié)果為四倍體棉種的供體種及進(jìn)化提供了最直觀的證據(jù)，并驗(yàn)證了RAP于口SSR分子標(biāo)記對(duì)于棉屬四倍體棉種供體種的研究結(jié)果。3.栽培棉種問(wèn)雜交與四元雜種的SS的子標(biāo)記鑒定：將（亞洲棉X草棉）F₁進(jìn)行染色

7、體加倍,再與（陸地棉X海島棉）F₁進(jìn)行雜交,產(chǎn)生亞洲棉、草棉、陸地棉和海島棉的四元雜種。對(duì)四個(gè)栽培棉種的種間四元雜種和四個(gè)親本進(jìn)行SS的子標(biāo)記分析，探討SSRfe記在棉屬種間雜種鑒定中的可靠性。結(jié)果表明，45對(duì)SSR弓I物中具多態(tài)性的引物共30Xt共檢測(cè)到99條清晰的多態(tài)性帶，平均每個(gè)SSFgl物可才測(cè)到3.3個(gè)位點(diǎn)。四元雜種中亞洲棉特征帶占20.8%,草棉特征帶占22.2%,陸地棉特征帶占15.3%,海島棉特征帶占13.9%,而四元雜種特有帶占27.8%,表明四元雜種具有四個(gè)親本的特征譜帶,從分子水平上證明四元雜種具有四個(gè)親本的遺傳物質(zhì)。此外,研

8、究結(jié)果也表明伴隨著人工雜交和加倍,四元雜種不同基因組之間進(jìn)行了遺傳物質(zhì)的相互漸滲和轉(zhuǎn)移,通過(guò)四個(gè)栽培棉種雜交,完全有可能選育出結(jié)合四個(gè)栽培棉種優(yōu)良性狀的棉花種質(zhì)材料。4.栽培棉種間四元雜種育性恢復(fù)機(jī)理研究：四元雜種F₁高度不育,對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)15年的嫁接保存,并對(duì)其花粉活力進(jìn)行幾年連續(xù)測(cè)定,并每年進(jìn)行自交和回交,以研究活體保存對(duì)于種間雜種育性恢復(fù)的可能性;將保存15年的四元雜種PMC!行減數(shù)分裂觀察，并與15年前減數(shù)分裂結(jié)果做比較，結(jié)合對(duì)四元雜種進(jìn)行育性考察,從細(xì)胞水平探索該四元雜種育性恢復(fù)的機(jī)理。結(jié)果表明,四元雜種可育花粉率和弱生活力花粉率隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng)在逐年增加,不育花粉率在逐年減少,并隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng)能獲得回交和自交種子。染色體組型分析結(jié)果表明,四元雜種PMCM數(shù)分裂中期的染色體構(gòu)型為2n=52=4.92I+14.62H+2.29m+1.56IV+0.71V+0.19VI,而15年前該四元雜種的染色體構(gòu)型為2n=52=8.4I+8.1H