海島棉和陸地棉纖維發(fā)育的遺傳基因組學(xué)研究.pdf

1、棉花是我國最重要的經(jīng)濟作物之一，也是主要的自然纖維作物。中國是世界上最大的紡織品生產(chǎn)國和消費國，常年種植面積在8，000萬畝左右，棉花種植業(yè)與紡織業(yè)在我國國民經(jīng)濟中起著重要的作用。但是，目前國產(chǎn)原棉在質(zhì)量上已經(jīng)不能滿足市場需要，適紡高檔棉紗的優(yōu)質(zhì)原棉，主要依賴進口。長期以來，我國棉花纖維品質(zhì)偏差，平均跨長和比強度均較低，成為制約棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙。纖維品質(zhì)包括纖維長度、強度、細度等性狀的綜合指標受纖維的伸長和次生壁合成過程影響

2、。因此，研究棉花纖維發(fā)育轉(zhuǎn)錄組以闡明纖維細胞基因表達模式，整合遺傳和遺傳基因組學(xué)以發(fā)掘影響纖維品質(zhì)基因及了解棉纖維品質(zhì)調(diào)控的分子機制，對改善纖維品質(zhì)具有極為顯著的意義。
　　 本研究開發(fā)了海陸群體的AFLP，SAMPL，SABPL和EST等分子標記，為本實驗室構(gòu)建的海陸遺傳圖譜增加了244個非SSR類型的多態(tài)位點，尤其是EST相關(guān)的功能標記。這些標記增加了遺傳標記的類型，填充了染色體上某些空白區(qū)域。結(jié)合本實驗加密的比較飽和海陸回

3、交遺傳圖譜，我們整合四年纖檢的纖維品質(zhì)數(shù)據(jù)，利用多QTL聯(lián)合分析方法檢測了纖維長度、強度、細度、伸長率及整齊度等纖維品質(zhì)性狀基因型及環(huán)境互作效應(yīng)，得到22個纖維品質(zhì)QTL(LOD≥3)，包括6個主效QTL，16個與環(huán)境互作的QTL;纖維長度和強度QTL主要定位在A亞組（A1、A3、 A5和A11），而纖維整齊度和馬克隆值QTL主要定位在D亞組（D1、D4、D7和D12）。一致或穩(wěn)定的QTL將為研究影響纖維品質(zhì)的候選基因提供基礎(chǔ)。

4、　　 本研究利用高通量的微陣列平臺，篩選了涉及陸地棉標準系TM-1纖維起始、伸長及次生壁加厚時期的差異表達基因。我們利用SAM(Significant Analysis ofMicroarray)軟件的multiclass方法對28k棉花芯片上10，902個基因不同時期的信號強度分析，得到了6，186個時期差異表達基因(q-value≤5％)。KEGG分析發(fā)現(xiàn)細胞骨架蛋白、類黃酮合成、氧化磷酸化和糖酵解代謝途徑處于顯著差異水平。我們對

5、6，186個時期差異表達基因的11個時期平均最高信號強度值和次之信號值利用t-test方法(P＜0.05)和1.5倍差異標準篩選，最終得到了192個時期特異表達的基因。這些時期特異表達基因決定了纖維細胞在特異時期的獨特的分子事件。另外纖維的發(fā)育階段也能夠利用差異表達基因的聚類清晰的分開，在分子水平上分開了3個重要的纖維發(fā)育階段。這項研究為四倍體栽培棉種的纖維發(fā)育機制提供了新的視點，也為纖維發(fā)育的研究提供了大量的特異表達基因資源，更為進一

6、步通過遺傳改良方法提高棉纖維的品質(zhì)提供了一定基礎(chǔ)。
　　 利用高通量的微陣列技術(shù)對陸地棉和海島棉纖維基因表達進行了比較研究。我們測量了海島棉Hai7124和陸地棉TM-1纖維整個伸長發(fā)育期不同時間點的長度(5-38days post anthesis，DPA)，發(fā)現(xiàn)陸地棉和海島棉纖維長度分別在15-20和23-28 DPA之前線性增長，最終達到一個相對平穩(wěn)的時期，較大的差異發(fā)生在20-33 DPA。我們利用12k棉花纖維cDNA

7、芯片與在5個時間點（5、10、15、20和25 DPA）的Hai7124和TM-1纖維發(fā)育細胞的RNA雜交，利用R語言LIMMA軟件包的經(jīng)驗貝葉斯(eBayes)方法在錯誤發(fā)現(xiàn)率FDR＜0.05及2倍差異的標準下比較了發(fā)育纖維細胞在種內(nèi)相鄰時間點和種間差異表達基因的數(shù)目，在Hai7124相鄰時期比較分別有276(5vs.10 DPA),2402(10 vs.15 DPA),94(15 vs.20 DPA)和44(20 vs.25 DPA

8、)個差異基因，而在TM-1分別得到473、2224、148和396個差異基因，在Hai7124和TM-1纖維細胞間5個時間點分別發(fā)現(xiàn)151、233、195、100和232個差異基因。10和25 DPA有更多的差異表達基因，是兩個非常關(guān)鍵的時期，對這兩個時期的深入研究有利于弄清控制纖維快速伸長基因及決定海島棉持續(xù)伸長或陸地棉停止伸長的基因。
　　 為了深入解析海陸棉花差異原因，發(fā)掘與纖維品質(zhì)相關(guān)的基因，我們選擇了10和25 DPA

9、的纖維進行了遺傳基因組學(xué)研究。我們利用28k棉花cDNA芯片從10和25 DPA的纖維細胞中分別檢測到13，760和13，411個有效基因，利用R語言LIMMA軟件包的經(jīng)驗貝葉斯(eBayes)方法，錯誤發(fā)現(xiàn)率控制在5％的水平上，發(fā)現(xiàn)在親本TM-1和Hai7124間分別有142和302個差異表達基因。在這兩個時期的66個棉花BC1S1株系分別用相同的芯片平臺檢測了表達譜，進一步用于連鎖分析。在P＜0.05水平上總共定位了916個表達QT

10、L(eQTL)，包括纖維伸長時期的293個和次生壁合成時期的623個;通過比較轉(zhuǎn)錄本的表達連鎖位置和遺傳標記定位預(yù)測了一些潛在的順式或反式eQTL。另外，我們得到了46個eQTL熱點，其中A亞組30個，D亞組16個，同時篩選了這些熱點內(nèi)包含的轉(zhuǎn)錄因子。比較eQTL與纖維QTL的位置，我們得到了一批纖維QTL在eQTL共定位的基因，尤其是在25 DPA發(fā)現(xiàn)大量與纖維長度、強度和細度相關(guān)的基因，纖維品質(zhì)可能由纖維品質(zhì)QTL區(qū)域的基因表達調(diào)控