1、棉花是世界性重要的經(jīng)濟(jì)作物.在植物分類學(xué)上,所有野生和栽培的棉種都屬于被子植物的錦葵目(Malvales)、錦葵科(Malvaceae)、棉族(Gossypieae)、棉屬(Gossypium)。棉屬植物的分類研究已有近百年的歷史.最有權(quán)威的棉屬分類結(jié)果由美國(guó)植物學(xué)家Fryxell在1992年提出,主要包括4個(gè)亞屬,8個(gè)組,9個(gè)亞組,50個(gè)種,其中45個(gè)二倍體種和5個(gè)異源四倍體種.異源四倍體種是由二倍體 A染色體組棉種和D染色體組棉種種

2、間雜交而成的,其中海島棉和陸地棉已被馴化為栽培種.陸地棉的產(chǎn)量高,適應(yīng)性廣,纖維品質(zhì)中等,因其高產(chǎn)及對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)的普遍適應(yīng)性,目前世界上97％的棉纖維都產(chǎn)自陸地棉；而海島棉的特點(diǎn)是纖維品質(zhì)優(yōu)良,說(shuō)明與優(yōu)質(zhì)纖維品質(zhì)相關(guān)的基因在海島棉中高效表達(dá),但海島棉產(chǎn)量低、適應(yīng)性差,因而限制了其種植范圍.陸地棉,海島棉兩者雜交的F1部分可育,但生育期長(zhǎng),且兩者雜交的后代表現(xiàn)典型的種問(wèn)雜種向兩極瘋狂分離.
　　 目前普遍認(rèn)為異源四倍體棉種的A染色

3、體組供體種是草棉(G.herbaceum)。而對(duì)于異源四倍體棉種的D染色體組供體種目前并沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).盡管海島棉和陸地棉是兩大四倍體栽培棉種,但這兩個(gè)栽培種的農(nóng)藝性狀,特別是纖維品質(zhì)差異很大.因此,在本研究中,基于EST—SSR標(biāo)記和已克隆的與棉纖維發(fā)育相關(guān)基因信息進(jìn)行四倍體棉種D染色體亞組供體種來(lái)源,陸地棉和海島棉棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的結(jié)構(gòu),表達(dá)特征等方面系統(tǒng)分析,為進(jìn)一步闡明海陸種間分化的機(jī)理奠定基礎(chǔ).研究結(jié)果如下:
　　

4、Guo等(2007a)在利用EST-SSR引物加密本實(shí)驗(yàn)室的遺傳圖譜時(shí),發(fā)現(xiàn)來(lái)源于雷蒙德氏棉的 EST-SSR引物在陸地棉和海島棉之間的多態(tài)性遠(yuǎn)高于來(lái)源于亞洲棉和陸地棉的EST-SSR引物所產(chǎn)生的多態(tài)性。本研究基于上述研究結(jié)果,選擇14對(duì)來(lái)源于雷蒙德氏棉的EST-SSR引物和23個(gè)供試棉種(2個(gè)二倍體A染色體組棉種、13個(gè)二倍體D染色體組野生種和8個(gè)異源四倍體材料)來(lái)研究棉屬二倍體D染色體組棉種之間的親緣關(guān)系,以及異源四倍體棉種D染色體

5、亞組的供體種.來(lái)源于雷蒙德氏棉的14對(duì)EST-SSR引物在23個(gè)棉種中共獲得了438個(gè)擴(kuò)增條帶,每個(gè)條帶都被克隆、測(cè)序并分別對(duì)測(cè)序結(jié)果的SSR重復(fù)區(qū)和側(cè)翼保守序列進(jìn)行分析,然后將所有引物的側(cè)翼序列進(jìn)行重組,重組后的序列用于堿基替換率分析和構(gòu)建進(jìn)化樹(shù).對(duì)染色體亞組與其祖先種之間的SSR區(qū)及其側(cè)翼序列進(jìn)行比較,結(jié)果都是D染色體組和D染色體亞組的變異程度高于A染色體組和A染色體亞組.說(shuō)明在進(jìn)化過(guò)程中,A染色體組和A染色體亞組之間比D染色體組和

6、D染色體亞組更保守。進(jìn)一步我們分別對(duì)13個(gè)二倍體D染色體組棉種、8個(gè)異源四倍體棉種及所有23個(gè)供試棉種的側(cè)翼重組序列進(jìn)行了進(jìn)化樹(shù)的構(gòu)建,結(jié)果顯示,13個(gè)D染色體組棉種之間的關(guān)系與Fryxell(1992)的亞組分類相同.而D染色體組棉種與異源四倍體棉種D染色體亞組之間的關(guān)系表明,雷蒙德氏棉與所有異源四倍體棉種D染色體亞組的親緣關(guān)系最近.
　　 為了進(jìn)一步了解棉纖維發(fā)育的分子機(jī)制,從而揭示海陸栽培種間纖維品質(zhì)差異的本質(zhì),本研究選取

7、NCBI上已登錄的18個(gè)與棉纖維發(fā)育相關(guān)基因和本實(shí)驗(yàn)克隆的一個(gè)新的蔗糖合酶基因(SusA1),以阿非利加棉、雷蒙德氏棉、陸地棉遺傳標(biāo)準(zhǔn)系TM-1和海島棉7124的基因組DNA為模板,獲得基因的全長(zhǎng)序列,對(duì)序列及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并根據(jù)各部分同源基因在海島棉和陸地棉之間的PCR擴(kuò)增多態(tài)性或SNP位點(diǎn),利用本實(shí)驗(yàn)[(TM-1×Hai7124)×TM-1]BC1群體,對(duì)19對(duì)部分同源基因進(jìn)行了染色體定位研究,根據(jù)前人研究中已定位的QTLs與本研究

8、中的基因的染色體定位結(jié)果,進(jìn)行這些基因表達(dá)特點(diǎn)與纖維品質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析。進(jìn)一步根據(jù)TM-1和海7124序列之間的SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)亞組特異定量PCR引物,研究19個(gè)棉纖維發(fā)育相關(guān)基因在TM-1和海7124纖維發(fā)育中的表達(dá)譜,以及其部分同源基因的表達(dá)譜；推測(cè)這些棉纖維發(fā)育相關(guān)基因在海陸栽培種間分化中的作用,為纖維品質(zhì)改良的分子育種研究奠定基礎(chǔ)。
　　 在本研究的19個(gè)基因中,68.42％的基因序列及結(jié)構(gòu)在各棉種及染色體組間比較保守,而31

9、.58％的基因序列及結(jié)構(gòu)在各棉種及染色體組間變異比較大.對(duì)各基因在4個(gè)棉種中獲得的序列進(jìn)行聚類,結(jié)果顯示在異源四倍體形成后,16個(gè)基因在四倍體的A染色體亞組和D染色體亞組之間是獨(dú)立進(jìn)化的,而3個(gè)基因在兩染色體亞組之間發(fā)生了不同程度的殖民化。通過(guò)比較同一棉種內(nèi)不同染色體亞組之間及同一染色體亞組在不同棉種之間的進(jìn)化速率,發(fā)現(xiàn)無(wú)論在TM-1還是海7124中都是D染色體亞組的進(jìn)化速率大于A染色體亞組.同時(shí)無(wú)論是A染色體亞組還是D染色體亞組,TM

10、-1的進(jìn)化速率都大于海7124.說(shuō)明在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷史中,四倍體的D染色體亞組經(jīng)歷了較快的進(jìn)化速率,而與TM-1相比,海7124與其祖先種的親緣關(guān)系更近一些.根據(jù)基因在TM-1和海7124之間的序列差異,26個(gè)重復(fù)基因被定位在本實(shí)驗(yàn)室的遺傳圖譜上,并且在其定位區(qū)間內(nèi),檢測(cè)發(fā)現(xiàn)至少存在一個(gè)已報(bào)道的纖維品質(zhì)相關(guān)的QTLs.基因的表達(dá)譜分析顯示,在纖維起始及伸長(zhǎng)早期,大部分基因在海7124中的表達(dá)量高于TM-1；在纖維伸長(zhǎng)期,基因的表達(dá)模式顯示

11、多樣性,有的在陸地棉中的表達(dá)優(yōu)勢(shì),有的在海島棉中表達(dá)優(yōu)勢(shì),有的在陸地棉和海島棉中表達(dá)水平相同,但無(wú)論哪種表達(dá)模式,大部分基因的表達(dá)顯示8DPA是個(gè)例外,表現(xiàn)為在海島棉中的表達(dá)顯著高于陸地棉；在纖維發(fā)育初生壁到次生壁轉(zhuǎn)換期,大部分基因在陸地棉中的表達(dá)高峰早于海島棉中的表達(dá)高峰,暗示海島棉的纖維伸長(zhǎng)期比陸地棉長(zhǎng),可能是導(dǎo)致其纖維品質(zhì)好于陸地棉的原因之一.進(jìn)一步從亞組特異表達(dá)譜來(lái)看,大部分基因在陸地棉和海島棉之間具有相同的亞組表達(dá)模式,A或D