染色体片段代换系

（一），研究的基础理论1.QTL定位群体目前用于QTL研究的作图群体主要分为初级作图群体和次级作图群体。初级作图群体包括F2、F3、BC1、DH(Doubledhaploids)、RILs（Recombinationinbredlines）等，群体后代的分离程度比较高；次级作图群体主要包括CSSL（Chromosomesegmentsubstitutionlines）、ILs（Introgressionlines）、NILs（nearlyisogonicslines）等。初级群体是指两个遗传差异很大的亲本相杂交而建立的分离群体。在后代群体中全基因组都会发生大规模的分离，遗传背景复杂，所以初级群体内含有丰富的遗传信息，可以有效地估计加性和显性效应，是早期进行QTL定位常用的群体。但是定位的QTL一般精度不高，结果有偏差(毛传澡和程式华,1999；徐建龙等，2002)，必须具有足够大的群体，且性状有较高的遗传力时，才能保证结果准确(Darvasi,etal.,1993)。次级作图群体是在初级群体的基础上发展而来的分离群体。其特点是只在特定的染色体区段上发生分离，群体内个体间的差异只存在于特定的区段上，可有效减少遗传背景的干扰，使QTL定位结果和遗传效应分析更加准确。2.染色体片段代换系染色体片段代换系(ChromosomeSegmentSubstitutionLines,CSSL)群体是在F1代与轮回亲本进行多代的回交，然后通过对供体亲本的染色体片段进行分子标记选择得到的高代回交群体。该群体后代自交不会发生性状分离，可以稳定遗传。群体内整个染色体组只存在少数几个甚至一个代换片段差异，该群体与其受体亲本间在遗传背景上只有代换片段上的差异，是永久性分离群体，遗传背景简单，可以用来进行多点、多年、多重复的实验，QTL定位时可以消除其它背景的干扰，将QTL定位到很小的片段上，QTL定位的精确度高。所以CSSL群体近年来被广泛用于QTL的精细定位及图位克隆。它具有如下特点：（1）单一性。每个片段代换系的基因组内只含有来自供体亲本的染色体片段，且两端由分子标记界定，基因组的其余部分与轮回亲本相同。（2）稳定性。可以提供大量的种子用于多点、多年、多重复的实验，可以研究QTL与环境、QTL之间等的互作关系。（3）单片段代换系可以通过再次回交，重组再分隔成代换片段长度更短的染色体单片段代换系，这样就可以对QTL进行精细定位。片段代换系减少了遗传背景的影响，大大提高了QTL定位的准确性，同时降低效应较大的QTL对效应较小的QTL的遮盖作用，减少QTL之间的互作，从而使微效QTL被检测出来。本研究利用生产上大面积推广种植的陆地棉(中棉所45)和具有优良纤维品质性状和高抗黄萎病性状的海岛棉品系(海1)组配种间杂交，陆地棉栽培品种作为轮回亲本进行高代回交，获得了具有陆地棉背景并导入海岛棉片断的染色体片段代换系。本研究通过对该染色体片段代换系产量和品质方面的评价，在进行相关性状QTL定位的同时，筛选优质新材料。（二）国内外研究进展目前，染色体片段代换系的应用很广泛。在水稻、番茄、玉米等作物的染色体片段代换系的构建及相关重要性状QTL定位的研究已经做了很多工作，例如：Eshed和Zamir（1995）用在栽培番茄Lycopersiconesculentum的遗传背景上构建的50个野生绿果番茄Lycopersiconpennellii的单片段导入系为材料，检测出18个番茄果实体积QTL和23个番茄的可溶性固含物QTL；邵迪等（2009）利用日本晴/明恢63的抽穗期分离家系BC3F2染色体片段代换系的327个单株，采用单因子方差分析检测到标记RM416和抽穗期主效QTLqHd-3连锁，并将qHd-3定位到IDL01—RM5995区间内，可以解释表型变异的62.9%；郭晋杰等（2009）通过回交育种程序结合SSR标记构建以玉米自交系农系531为受体亲本、10个具有不同农艺性状的自交系为供体的染色体片段导入系群体，共检测出14个相关性状的QTL。在棉花上，QTL定位方面的研究起步相对比较晚，而且棉花染色体数目多，染色体片段代换系的构建工作比较困难，相关性状QTL定位工作进展相对缓慢。在棉花研究中，QTL定位所用的群体多为F2群体、F2:3群体、DH群体、RIL群体等，近年来，众多学者利用这些群体，在棉花上也检测到许多与棉花产量和品质相关的QTL。1.棉花产量性状QTL定位研究进展1998年，Shappley等利用陆陆种内杂交F2群体借助RFLP分子标记技术构建了一套覆盖棉花基因组865cM的遗传距离的连锁图谱，定位到100个QTL（LR6.63），其中控制产量性状的QTL中籽指4个，衣分5个，还有控制农艺性状的其它QTL。2000年，Ulloa等（2000）利用陆陆种内杂交群体和RFLP标记构建了覆盖701cM的遗传距离的连锁图谱，共定位到7个控制产量性状的QTL，分别控制皮棉产量、衣分和籽指。王沛政等（2008）利用新陆早7号、新陆中10号、军棉1号和中棉所35号4个品种构建3个F2群体来构建遗传连锁图并进行QTL定位，共鉴定出与产量性状相关的QTL11个。Wu等（2009）利用RIL群体定位了23个产量性状的QTLs，可解释30.2%-50.5%表型变异的。其中3个铃重，5个衣分，6个籽指，5个皮棉产量，4个籽棉产量。林忠旭等（2009）以DH962×冀棉5号的F2:3家系为分析群体构建了一套包含471个标记、覆盖棉花基因组3070.2cM的遗传图谱，采用复合区间作图法定位主效QTL，共定位到9个与产量性状相关的主效QTL，秦永生(2009)利用中棉所28和湘杂棉2号两个杂交F2群体构建了一张覆盖棉花基因组1847.81cM的遗传图谱，利用复合区间作图法进行QTL定位，分别在中棉所28和湘杂棉2号群体联合分析中检测到16和20个产量相关QTL。2.棉花品质性状QTL定位研究进展2008年，田海燕等利用F2:3家系进行纤维品质研究，定位到1个纤维强度QTL，解释表型变异的30.82%，1个控制麦克隆值QTL，解释表型变异的13.57%。陈利、张正圣等（2008）利用渝棉1号与中棉所35的F2、F2:3群体进行纤维品质性状鉴定，采用区间作图方法定位到5个纤维品质性状相关的QTL，包括1个控制纤维长度的QTL、2个控制纤维强度和2个控制纤维细度的QTL。Wu等（2009）利用陆地棉种内RIL群体共定位34个控制纤维品质性状的QTL，其中纤维强度6个，纤维成熟度5个，马克隆值3个，2.5%纤维长度4个，纤维重量整齐度3个，纤维周长2个，纤维壁厚度4个，50%纤维长度3个，伸长率4个，解释表型变异的13.4%-56.9%。Zhang等(2009)利用陆地棉种内的270个重组自交系群体，共检测出13个与纤维品质有关的QTL，其中包括2个控制纤维强度，4个控制纤维长度，2个控制纤维细度的QTL，解释的表型变异分布在7.4%-43.1%之间。林忠旭等（2009）利用DH962×冀棉5号的F2:3家系为分析群体，定位到5个与控制纤维品质性状的主效QTL。3.染色体片段代换系在棉花上的应用王鹏等（2008）以陆地棉遗传标准系TM-1为受体亲本，海岛棉海7124为供体亲本，采用杂交、连续回交结合分子标记辅助选择在BC5S1代培育选择了一套染色体片段代换系，海岛棉代换片段的平均长度为10.9cM，总代换长度为5271.9cM。但由于有些区段缺失，这个置换系群体并没覆盖整个基因组。杨泽茂等（2009）利用陆地棉栽培种中棉所45为受体，海岛棉海1为供体，利用276对多态性标记对BC4F1世代进行SSR分子标记辅助选择，构建了一个包含116个家系的代换系群体。检测区域覆盖棉花基因组2347cM，占棉花基因组的52.7%。梁燕等（2010）利用陆地棉栽培品种中棉所36为受体，海1为供体构建的染色体片段代换系BC5F1群体检测到20个与产量相关的QTL及33个与品质相关的QTL。二研究的目的和意义我国陆地棉栽培品种遗传基础狭窄，纤维品质类型单一，长度多集中在29.0mm左右，缺乏长度在31.00mm以上、同时比强度又在34.0cN/tex以上、马克隆值在3.7～4.2的特优质棉花品种（杨伟华等，2001）。利用现有的陆地棉材料或陆地棉种内杂种优势，在短期内大幅度提高纤维品质难度大（张香桂等，2003）。海岛棉具有纤维长、强、细的特点，但纤维产量低。如果能够将陆地棉的高产基因和海岛棉的优异纤维品质基因有效聚合，对于同步改良我国棉花产量和品质具有重要的意义。传统的棉花育种技术主要是杂交育种，育种家根据自身育种经验对材料形态表型进行选择育种，但由于棉花大多数经济性状均是数量性状，由微效多基因控制，而且易受环境影响，在复杂环境下，传统育种家难以对目标性状进行有效选择。分子标记技术的发展为数量性状的研究和目标性状的遗传改良提供了便捷的途径。寻找到与目标性状主效QTL紧密连锁的分子标记进行辅助选择，不仅可以提高选择的准确度，并且能够加快选择的进度，提高棉花育种工作效率（沈新莲等，2001；郭旺珍等，2005；石玉真等，2007，董章辉等，2009）。随着染色体片段代换系首次在番茄上（Eshedetal.,1994）构建和应用，其应用价值被越来越多的育种家所认知。目前，染色体片段代换系已经在水稻（Tanksleyetal.,1996;Sobrizaetal.,1999;Kurakazuetal.,2001;刘冠明等，2003；何凤华等，2005；Zhuetal.,2009）、大麦（Matusetal.,2003;Korffetal.,2004）、小麦（刘树兵，2005）、玉米（赵永峰，2006；张书红，2007）、棉花（王鹏等，2008；杨泽茂，2009；梁燕，2010；朱亚娟等；2010）等作物上被构建和应用，创造了大量的外源种质渐渗的优异新材料。本研究利用生产上大面积推广种植的陆地棉中棉所45与显性无腺体海岛棉海1高代回交、自交，初步构建了渐渗有海岛棉染色体片段的332个染色体片段代换系，利用SSR标记技术对这个世代群体的海岛棉染色体渐渗情况进行评价。筛选染色体单片段代换系，为进一步精细定位基因，实现海岛棉优良特性基因向陆地棉的渐渗奠定基础。研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标：（1）明确一批优异染色体片段渐渗系情况，为分子标记辅助育种、基因聚合、基因互作等研究进一步准备基础材料；（2）挖掘出海岛棉优异纤维品质性状稳定的QTL或基因；（3）筛选出一批纤维品质优良，高抗黄萎病，抗虫性好，低酚，产量与常规对照品种相当的优异棉花新材料或新品系，为棉花育种提供优质、强优势组合的亲本材料。研究内容（1）染色体片段代换系田间农艺性状、产量及品质等性状的多环境评价，筛选优质新材料；（2）染色体片段代换系的分子检测；（3）海岛棉优质纤维品质性状的QTL定位；拟解决的关键问题：对构建的染色体片段代换系进行分子检测，并明确控制棉花优良品质性状的QTL。研究方案（拟采用的研究方法、步骤和技术路线）（1）性状评价：农艺性状（株高、果枝、吐絮、铃数、产量），品质性状（纤维长度、强度、马克隆值）等的初步评价。（2）分子标记分析：提取BC4F3:5株行的DNA，从本实验室已构建的分子连锁图谱（李文坦等，2011）上每5cM选择一个标记，对染色体片段代换系材料进行海岛棉片段渐渗情况的检测，确定标记基因型。（3）QTL定位：结合标记基因型和表型数据进行产量与品质性状QTL的定位。（4）多环境综合评价：在黄河流域棉区的安阳、西北内陆棉区的新疆库尔勒等地设置多点，多环境下对CSSLS进行评价。