葉泗洪　吳德祥　路曦結(jié)　添長久　潘宗瑾　楊華　吳春

摘要：為了倡導(dǎo)我國棉花生產(chǎn)以中高端品質(zhì)為主，破解“洋棉入市、國棉入庫”的困境，通過查閱資料和課題調(diào)研，綜述了我國棉花產(chǎn)業(yè)行情、棉花纖維品質(zhì)現(xiàn)狀、棉花分子標(biāo)記種類和棉花纖維品質(zhì)QTL初級定位、QTL精細(xì)定位及相關(guān)研究進(jìn)展，旨在促進(jìn)棉花分子育種、基因組選擇研究的提升。

關(guān)鍵詞：棉花；分子標(biāo)記；QTL定位；纖維品質(zhì)

中圖分類號： S562 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3143（2017）01-0002-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2017.01.001

0 引言

棉花是世界上第一大纖維作物和第二大油料作物。中國不但是一個產(chǎn)棉大國，也是用棉大國，棉花生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中具有極其重要的地位。隨著紡紗工業(yè)技術(shù)的不斷革新，對棉纖維品質(zhì)的要求也在不斷提高，優(yōu)質(zhì)成為棉花育種的新目標(biāo)[1]。棉花品質(zhì)性狀屬于數(shù)量性狀，其表現(xiàn)型是基因型與環(huán)境共同作用的結(jié)果；因此對數(shù)量性狀的遺傳操縱能力決定了作物育種的效率[2]。近年來，生物技術(shù)的發(fā)展為作物性狀改良提供了新的途徑，通過轉(zhuǎn)基因或分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，可從分子水平上操作目標(biāo)基因，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)性狀的改良[3-5]。

農(nóng)業(yè)部纖維檢測中心（安陽）唐淑榮，等[6-7]對三大棉區(qū)纖維品質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，提出我國棉花比強(qiáng)度有待進(jìn)一步提高，同時棉花纖維品質(zhì)結(jié)構(gòu)需優(yōu)化升級。2016年11月28日，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院主辦，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師、新疆昌吉國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管委會、江蘇聯(lián)發(fā)集團(tuán)股份有限公司和河南永安紡織有限公司等單位聯(lián)合承辦的國家棉花產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立大會在北京召開。國家棉花產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的發(fā)展目標(biāo)是通過科研—生產(chǎn)—加工—流通—紡織等全產(chǎn)業(yè)鏈的通力合作，探索建立棉花生產(chǎn)供給新模式，改變傳統(tǒng)的“小而分散”生產(chǎn)方式，推動棉花產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，引領(lǐng)棉產(chǎn)業(yè)向“中高端品質(zhì)”發(fā)展，提升我國棉花產(chǎn)業(yè)水平和國際競爭力。聯(lián)盟的成立對于我國棉花產(chǎn)業(yè)的一大積極影響在于：聯(lián)盟的形式有利于沖破原有產(chǎn)業(yè)鏈體制機(jī)制的桎梏，有利于打破我國棉產(chǎn)業(yè)由來已久的“生產(chǎn)跟科研分割”、“生產(chǎn)跟加工、流通分割”的尷尬局面。當(dāng)前我國棉花種植業(yè)面臨“地板升高而天花板下壓”的困境，國際競爭力不強(qiáng)，亟需提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級，聯(lián)盟以全國涉棉產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新之力，瞄準(zhǔn)棉花產(chǎn)業(yè)的重大問題，促進(jìn)我國棉產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。國家棉花產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所所長李付廣說：我國每年花260億元補(bǔ)貼棉花生產(chǎn)，卻面臨“洋貨入市、國貨入庫”的困局。紡織企業(yè)不愿用國產(chǎn)棉并非崇洋媚外，而是國產(chǎn)棉的生產(chǎn)與需求嚴(yán)重脫節(jié)，高等級棉嚴(yán)重短缺，低等級棉嚴(yán)重過剩，臨時收儲政策又成了棉花品質(zhì)下降的“催化劑”，因此，要力爭用5～10年的時間，在我國主產(chǎn)棉區(qū)打造出33.3萬～66.7萬hm2、產(chǎn)能60～120萬噸的中高端品質(zhì)原棉生產(chǎn)基地（相當(dāng)于1～2個澳大利亞的棉花產(chǎn)能規(guī)模）。

1 分子標(biāo)記研究進(jìn)展

分子標(biāo)記發(fā)展經(jīng)過第一代（RFLP為代表）、第二代（SSR為代表）及第三代（SNP為代表）的發(fā)展歷程。與AFLP、RFLP、RAPD和SSR標(biāo)記相比，SNP （ Single nucleotide polymorphism） 即單核苷酸多態(tài)性，具有密度高、代表性強(qiáng)、遺傳穩(wěn)定性好和易于實(shí)現(xiàn)自動化分析檢測等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于植物遺傳連鎖圖譜構(gòu)建、生物物種起源與親緣關(guān)系以及生物多態(tài)性的研究等方面。同時SNP標(biāo)記的發(fā)展促進(jìn)了關(guān)聯(lián)分析、遺傳圖譜、基因定位等對植物復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳研究。研究證明：多數(shù)SNP變異與基因功能密切相關(guān)，通過關(guān)聯(lián)分析可以發(fā)掘這些功能型位點(diǎn)變異并應(yīng)用于作物遺傳育種。隨著SNP 研究的迅猛發(fā)展，以及基因芯片技術(shù)和第二代、第三代高通量測序技術(shù)的發(fā)展，自動化程度更高的第三代SNP 標(biāo)記已迅速取代SSR、RFLP 等傳統(tǒng)標(biāo)記，在模式動植物和重要農(nóng)作物中將發(fā)揮著越來越重要的作用[8]。四倍體陸地棉全基因組測序[9-10]的完成為棉花基因組分析提供了參考序列、發(fā)掘功能基因并開發(fā)相應(yīng)的功能標(biāo)記。韓治國，等[11]根據(jù)已發(fā)表的亞洲棉FIF1基因，設(shè)計(jì)特異引物，克隆了陸地棉和海島棉中的FIF1基因，并將該基因定位在四倍棉花遺傳圖譜上。Robert，等[12]開發(fā)了四倍體棉花的SNP標(biāo)記，并進(jìn)行了定位。Wang，等[13]利用GBS測序構(gòu)建包含499萬個SNP位點(diǎn)覆蓋4024 cM的棉花遺傳圖譜。但棉花基因組測序、轉(zhuǎn)錄組測序、小RNA測序等技術(shù)興起后，產(chǎn)生的大量序列資源和新的SNV突變位點(diǎn)，加之SNP技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，探索、突破SNP標(biāo)記開發(fā)及檢測體系至關(guān)重要，應(yīng)用前景會非常廣闊。

2 棉花纖維品質(zhì)QTL初級定位

棉花品質(zhì)性狀屬于數(shù)量性狀，其表現(xiàn)型是基因型與環(huán)境共同作用的結(jié)果；因此對數(shù)量性狀的遺傳操縱能力決定了作物育種的效率。傳統(tǒng)育種為棉花纖維品質(zhì)的改良發(fā)揮了重大作用，但進(jìn)度相對較慢、效率較低；近年來，生物技術(shù)的發(fā)展為作物性狀改良提供了新的途徑，通過轉(zhuǎn)基因或分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，可從分子水平上操作目標(biāo)基因，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)性狀的改良。有必要通過數(shù)量基因座（quantitative trait locus， QTL）的定位，分子標(biāo)記輔助選擇，候選基因的鑒定篩選等分子手段提高棉花纖維品質(zhì)改良的效率。

纖維強(qiáng)度是棉花主要的品質(zhì)性狀，前人利用不同的群體定位了許多關(guān)于纖維強(qiáng)度的QTL。Chuanfu An，等[14]利用陸陸雜交組合MD17/FM966 F2檢測到1個控制纖維強(qiáng)度QTL，位于第16染色體上，標(biāo)記能解釋的表型變異為11.1%。孫福鼎，等[15]利用陸陸雜交組合0-153/sGK9708的F2、F2：3和重組自交系三個世代，重復(fù)檢測到控制纖維強(qiáng)度QTL中有2個，分別被定位在第7和25染色體上，所得標(biāo)記解釋的表型變異為14.25%～27.86%。張正圣，等[16]應(yīng)用陸陸雜交組合T586/Yumian1的重組自交系群體檢測到2個控制纖維強(qiáng)度QTL，位于第6和第7染色體上，所得標(biāo)記解釋的表型變異為10.2%～31.8%。賀道華，等[17]利用陸陸雜交組合Handan208/Pima90的F2分離群體，檢測到3個纖維強(qiáng)度QTL，分別位于A02和第23染色體上，所得標(biāo)記解釋的表型變異為15.26%～37.12%。沈新蓮，等[18]利用陸陸雜交組合7235/TM-1的重組自交系群體，檢測到7個控制纖維強(qiáng)度的QTL，分別位于A10、D7、D9、D6和D8染色體上，所得標(biāo)記解釋的表型變異為4.31%～16.15%。Russell J，等[19]利用陸海雜交組合TM-1/3-79的F2分離群體，檢測到4個控制纖維強(qiáng)度的QTL，分別位于染色體3b、14b、15a和25b上，共計(jì)解釋35%表型變異。Shappley，等[20]利用陸陸雜交組合HS46/MARCABUCAG8US-1-88的F2分離群體，檢測到7個控制纖維強(qiáng)度的QTL。Jiang，等[21]利用陸海雜交組合CAMD-E/seabery的F2分離群體，檢測到3個控制纖維強(qiáng)度的QTL。Wang，等[22]利用達(dá)爾文氏棉和4個栽培品種雜交，獲得一套導(dǎo)入系，再利用已發(fā)表的海陸群體圖譜上錨定的SSR標(biāo)記進(jìn)行纖維品質(zhì)QTL定位，結(jié)果表明其中的40個標(biāo)記和纖維品質(zhì)相關(guān)，解釋表型變異平均為6.31%。Yu，等[23-24]用海陸回交自交系群體在兩個環(huán)境中同時檢測到了一個控制纖維強(qiáng)度的穩(wěn)定QTL，位于11號染色體上，解釋表型變異為14.95%。Cao，等[24]利用一套染色體片段置換系，將纖維強(qiáng)度、比強(qiáng)度、馬克隆值等QTL導(dǎo)入新疆棉花品種新陸早26號、新陸早41號、新陸早42號中去。以上研究結(jié)果為研究纖維強(qiáng)度QTL在棉花基因組上分布特點(diǎn)以及通過分子標(biāo)記輔助育種創(chuàng)制新材料奠定了基礎(chǔ)。

3 棉花纖維品質(zhì)QTL次級定位

棉花纖維品質(zhì)性狀方面，研究者開展了很多QTL定位工作。但大多是利用初級群體進(jìn)行QTL定位，通常存在幾個問題：①精確度不高，定位缺乏準(zhǔn)確性，無法區(qū)分目標(biāo)區(qū)段是一個效應(yīng)較大的基因還是一簇緊密連鎖的效應(yīng)較小的QTL[26-27]；②遺傳率較低，對表型效應(yīng)貢獻(xiàn)較少的QTL常常不能被準(zhǔn)確鑒定出來[28]；③背景噪聲對QTL定位的精確性產(chǎn)生較大的影響[29]。為了克服初級群體在QTL上的缺點(diǎn)，提高QTL定位的準(zhǔn)確性，從而發(fā)展了次級分離群體。染色體片段導(dǎo)入系是目前棉花上應(yīng)用最為廣泛的次級群體之一，除目標(biāo)基因所在座位的局部區(qū)域外，基因組其余部分都是相同的，在這樣的材料間找到的多態(tài)性標(biāo)記才可能與目標(biāo)基因緊密連鎖，是QTL精細(xì)定位和圖位克隆的一類理想材料[30]。

為了克服初級群體在QTL上的缺點(diǎn)，提高QTL定位的準(zhǔn)確性，從而發(fā)展了次級分離群體。染色體片段導(dǎo)入系是目前棉花上應(yīng)用最為廣泛的次級群體之一，除目標(biāo)基因所在座位的局部區(qū)域外，基因組其余部分都是相同的，在這樣的材料間找到的多態(tài)性標(biāo)記才可能與目標(biāo)基因緊密連鎖，是QTL精細(xì)定位和圖位克隆的一類理想材料。Paterson，等[31-32]利用回交群體將番茄幾個重要性狀的QTL定位在大約20 cM的區(qū)段內(nèi)，通過選擇性地構(gòu)建了QTL-NIL，用代換作圖法將這些QTL進(jìn)一步定位在3 cM內(nèi)的區(qū)段。Yamamoto，等[33]利用小麥抽穗期QTL，Hd1、Hd2、Hd3分別建立了單個QTL的次級分離群體，將這3個QTL都分解為單個孟德爾因子，并進(jìn)行了精細(xì)定位。Su，等[34]利用758個棉花海陸置換系精細(xì)定位了1個控制纖維強(qiáng)度的QTL QFS D11-1，位于棉花第21染色體上，解釋表型變異為35.8%，和分子標(biāo)記NAU2950緊密連鎖、遺傳距離為0.6 cM。利用染色體片段導(dǎo)入系對QTL進(jìn)行精細(xì)定位后，就能進(jìn)一步對QTL進(jìn)行克隆。

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