CN108130380B - 一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质的分子育种方法 - Google Patents

一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质的分子育种方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分子育种技术领域，公开了一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的分子育种方法。所述一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的分子育种方法，所用SSR分子标记为NAU5475160bp。本发明有助于克服现有育种技术对黄萎病抗性和纤维品质的表型性状鉴定存在的稳定性差、效率低、周期长、成本高、等许多不足，能同步改良黄萎病抗性和纤维品质，提高选择效率，加快优质高产抗病新品种的培育进程。

Description

一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质的分子育种方法
技术领域
本发明涉及棉花分子育种技术领域，具体涉及到一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的分子育种方法。
背景技术
随着纺织工业的快速发展和人民生活水平的不断提高，对棉花纤维品质的要求也越来越高。我国大面积种植的是陆地棉品种，棉花育种工作者在上世纪80年代前主要集中在产量的提高上，纤维品质的提高没有得到足够的重视，使得我国的棉花品种大多表现为产量高，纤维品质相对差。随着棉花机械化收获的普及，也对棉花品种的纤维品质提出了更高的要求。棉花黄萎病(Verticillium wilt)是由大丽轮枝菌(Verticillium dahliaeKlebahn)引起的一种侵染维管束组织的土传病害，在棉花生产中普遍发生且危害最为严重，被称为“棉花的癌症”，给世界各主要产棉国家和地区植棉业造成严重威胁(马存，2005.)。近年来，在我国产棉区有逐年加重的趋势。因此，棉花抗病和纤维优质已成为当前棉花育种的重要目标。
海岛棉具有优异的纤维品质和高抗黄萎病的特性，但产量低，种植面积小，而陆地棉产量高，适应性广，被大面积种植，但纤维品质相对差(Percy et al.,2006)。因此挖掘海岛棉的优异纤维品质基因和抗黄萎病基因，把海岛棉优异纤维品质基因和抗黄萎病基因转移到陆地棉背景中，对我国陆地棉纤维品质的提高有着重要的意义。
棉花黄萎病抗性和纤维品质都属于数量性状，他们之间往往存在复杂的负相关，实践证明，采用传统的育种方法同时改良黄萎病抗性和纤维品质很难。采用传统的育种方法提高陆地棉的纤维品质性状，首先要通过陆地棉和海岛棉或亚洲棉等杂交，通过多代的回交，获得具有高强纤维基因渐渗的种质材料，与现有的陆地棉栽培品种杂交，通过多代的回交及自交选择，以打破纤维品质性状与产量性状间的负相关。每个世代需要足够大的选择群体，都要对纤维品质进行测定，而每一世代的选择都需等到棉花吐絮后收取棉花进行纤维品质检测后才能决定，这就导致了育种的群体要大，选择工作量大，成本较高且周期长。而且纤维品质性状受环境影响较大，使得育种进展缓慢。棉花黄萎病抗性表型性状也是受多种条件(环境温度、湿度、土壤菌种等)的影响，其鉴定稳定性差、重复性差、费时费力等。
由于传统育种的整个过程中的选择主要是表型选择，这对质量性状而言一般是有效的，但对黄萎病抗性和纤维品质这样的数量性状来说，则存在准确性差、效率低等许多缺点。要提高选择的效率，理想的方法应该是能够直接对基因型进行选择。
分子标记辅助选择是借助分子标记对目标性状的基因型直接进行选择，而不必考虑作物生长发病时期和发育条件，可在早期进行选择，又能减少来自同一位点不同等位基因或不同位点的非等位基因间的相互干扰，有利于快速垒集目标基因，加速回交育种进程，克服不利性状连锁，极大地缩短了育种时间，减少了群体种植规模。分子标记辅助选择对同步改良黄萎病抗性和纤维品质、多性状基因聚合、快速培育棉花新品种等具有无比优越性。在海岛棉黄萎病抗性和优异纤维品质性状的基因挖掘方面，利用不同的陆海杂种群体进行分子连锁图谱的构建和海岛棉优异性状的QTLs(Quantitative trait loci,简写QTL)筛选，取得了很大研究进展，为黄萎病抗性和纤维品质性状的分子标记辅助选择打下了良好的基础，有些QTLs或与之连锁的分子标记已应用于辅助选择育种中。但是，前人的研究中多数是利用分离群体，或只在单个环境下检测得到的结果，因此缺乏可靠性和稳定性，且有些研究最初的目的只是为了进行目标基因的定位，在实验材料的选择上没有考虑和育种材料相结合，还很难应用到育种中。而且黄萎病抗性和纤维品质性状的分子标记同步辅助育种报道的甚少。
发明内容
为了克服传统育种中表型选择准确性差、效率低、周期长、成本高等许多缺点，解决同步改良黄萎病抗性和纤维品质难且育种进展缓慢的问题。本发明以生产上大面积种植的陆地棉品种中棉所36为轮回亲本，纤维品质优异和高抗黄萎病的海岛棉品系海1为供体亲本，构建了陆海杂交回交高代棉花渐渗系，并进行了多环境黄萎病抗性和纤维品质性状的评价，为挖掘海岛棉海1黄萎病抗性和优异性状的QTLs、直接培育用于育种的新品系奠定了基础。
本发明的目的是提供一种来自海岛棉海1与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记。
本发明的再一目的是提供一种陆地棉黄萎病抗性和纤维品质同步改良的辅助育种方法。
本发明的再一目的是提供上述一种来自海岛棉海1与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记的应用。
本发明提供的技术方案是：一种来自海岛棉海1与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记，其特征在于：与棉花黄萎病抗性有关的QTL:qVW-Chr19-1位于第19号染色体上145.9cM位置，与SSR标记NAU5475160bp紧密连锁，该标记正向引物序列为GGCGTAATGCTGGATTTACT，反向引物序列为ACGTTTGATTTGCCATTCTT，扩增长度为160bp的海1的DNA片段。
同时，本发明提供一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的辅助育种方法，该方法包括以下步骤：
(1)对海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中，提取单株DNA，使用与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记NAU5475160bp对群体单株的基因型进行分子检测；
(2)对检测结果进行分析，选择带有海岛棉海1特征条带的植株。其中，所述与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记NAU5475160bp的特异性引物序列和扩增的目的片段长度如下：正向引物序列为GGCGTAATGCTGGATTTACT，反向引物序列为ACGTTTGATTTGCCATTCTT，扩增长度为160bp的海1的DNA片段。
上述一种来自海岛棉海1与棉花黄萎病抗性和纤维品质性状紧密连锁的分子标记，所涉及的分子标记是通过以下方法按照下列步骤获得的：
(1)以海岛棉海1为供体亲本、分别以中棉所36为轮回亲本，通过杂交高代回交，连续自交，构建了陆海不同回交世代的群体及杂交高代回交自交的渐渗系群体；
(2)以中棉所36×海1BC1F1为作图群体，构建SSR分子连锁图谱；
(3)从36×海1BC5F3:5渐渗系中按照黄萎病抗性从高到低挑选代换系，设置田间试验，进行田间农艺性状的调查、纤维品质和产量的测定，同时在每年的黄萎病发病的7月份和8月进行黄萎病性状的调查，并提取每个代换系DNA，以所述步骤(2)构建的分子连锁图谱为基础，在每条染色体上每5-10cM选择一个标记，对渐渗系DNA进行基因型检测；
(4)利用纤维品质的长度和强度性状的表型数据及黄萎病病指数据和基因型数据，进行QTL定位和综合分析，在第19号染色体上145.9cM位置的SSR标记NAU5475160bp附近鉴定到3个不同性状的稳定的QTLs：qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1，都与标记NAU5475160bp紧密连锁，增效基因都来源于海岛棉海1。
上述分子标记获得的一个较为具体的方法如下：
(1)以海岛棉海1为供体亲本、分别以中棉所36为轮回亲本，通过杂交高代回交，连续自交，构建了陆海不同回交世代的群体及杂交高代回交自交的渐渗系群体。
(2)以中棉所36×海1BC1F1为作图群体(135个单株)，构建了一张含有2292个标记位点、总图距5115.16 8cM的陆海种间高密度SSR分子连锁图谱(Shi et al.2015)。
(3)从36×海1BC5F3:5 2660个渐渗系中挑选300个代换系，设置2年4个生态环境(2015安阳和新疆石河子、2016年安阳和新疆石河子)的两个重复的田间试验，按小区进行纤维品质的测定，同时在每年的黄萎病发病的7月份和8月进行黄萎病性状的调查，并提取每个代换系DNA(2015年安阳)，以上述(2)构建的分子连锁图谱为基础，在每条染色体上每5-10cM选择一个标记，共选择597个标记引物，对渐渗系DNA进行基因型检测。
(4)利用2年4个生态环境(2015安阳和新疆石河子、2016年安阳和新疆石河子)的纤维品质的长度和强度性状的表型数据及黄萎病病指的8个发病时期(或8个环境)的数据和基因型数据，采用王建康的QTL IciMapping V4.0软件(http://www.isbreeding.net/software/)，进行QTL定位和综合分析，在第19号染色体上145.9cM位置的SSR标记NAU5475160bp附近鉴定到3个不同性状的稳定的QTLs：qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1，都与标记NAU5475160bp紧密连锁。
其中纤维长度的QTL:qFL-Chr19-1已被报道(张金凤，2012)，纤维强度的QTL:qFS-Chr19-1已被报道(马留军，2013)，而黄萎病QTL:qVW-Chr19-1没有被报道，是新发现的。这些不同性状的QTLs成簇分布在在染色体Chr19上145.9cM位置的NAU5475160bp附近，形成QTL簇(Chr19-QTL簇)。QTL簇内的QTLs的增效基因都来源于同一个亲本(海1)，这个同时控制黄萎病抗性和纤维品质性状的QTLs簇，是新发现的。在这3个QTLs中，黄萎病病指的QTL qVW-Chr19-1能在5个环境中检测到，黄萎病抗性增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花黄萎病抗性的贡献率为3.82-8.18％、降低病指4.01-6.45；纤维长度的QTL qFL-Chr19-1能在4个环境中检测到，增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花纤维长度的贡献率为5.40-10.39％、加性效应为0.43-0.62mm，纤维强度的QTL qFS-Chr19-1能在3个环境中检测到，增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花纤维强度的贡献率为4.37-9.23％、、加性效应为0.62-1.45cN/tex。
使用本发明SSR标记NAU5475160bp在与海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中对黄萎病抗性进行分子标记选择，同时对纤维品质也进行了分子标记选择，可同步改良陆地棉的黄萎病抗性和纤维品质。
本发明方法所用的与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记NAU5475160bp，与纤维品质也紧密连锁。与黄萎病抗性和纤维品质有关的3QTLs:qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1(VW是黄萎病的英文单词Verticillium wilt的缩写，FL是纤维长度的英文单词fiber length的缩写，FS是纤维强度的英文单词fiber strength的缩写。QTL的命名：q+性状名称英文缩写+染色体英文单词缩写+染色体序号+同一染色体上控制该性状QTL的顺序编号。如：qFS-Chr2-1表示在第2条染色体上控制纤维强度的第1个QTL，qVW-Chr19-1表示在第19条染色体上控制黄萎病抗性的第1个QTL。)紧密连锁。这3个与棉花黄萎病抗性和纤维品质有关的QTLs：qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1都位于染色体Chr19上同一个位点区域，成簇在一起，与NAU5475160bp紧密连锁，增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花黄萎病抗性的贡献率为3.82-8.18％、加性效应为4.01-6.45，对棉花纤维长度的贡献率为5.40-10.39％、加性效应为0.43-0.62mm，对棉花纤维强度的贡献率为4.37-9.23％、加性效应为0.62-1.45cN/tex。
使用与棉花黄萎病抗性紧密连锁的SSR标记NAU5475160bp在与海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中进行分子标记选择，可提高陆地棉黄萎病抗性和降低黄萎病病指4.01-6.45、同时提高陆地棉纤维长度0.43-0.62mm、提高陆地棉纤维强度0.62-1.45cN/tex。该方法包括以下步骤：苗期单株提取DNA；使用分子标记NAU5475160bp对群体单株的基因型进行分子检测；对检测结果进行分析；选择带有海岛棉海1特征条带的植株，这些中选单株的黄萎病抗性和纤维品质得到不同程度的提高。
本发明不仅有助于筛选抗黄萎病且纤维优质的材料，为今后海岛棉海1杂交、回交后代及其衍生品系的黄萎病抗性和纤维品质育种利用提供了极大的便利，同时也为QTL簇及QTL的精细定位及基因克隆奠定了基础。
使用本发明可以在苗期预测黄萎病抗性高低、纤维品质的优劣并进行淘汰，进而可以快速筛选抗黄萎病且纤维优质的株系用于棉花育种，辅助育种选择目标明确，节约成本。通过与黄萎病抗性紧密连锁的分子标记NAU5475160bp在与海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中的分子标记选择，快速地提高现有陆地棉品种的黄萎病抗性和纤维品质，以克服现有技术存在的上述不足，加速棉花纤维优质和抗病的育种进程。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的分子育种方法，使用分子标记NAU5475160bp在与海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中进行分子标记选择，可同步改良陆地棉的黄萎病抗性和纤维品质(降低病指4.01-6.45、提高纤维长度0.43-0.62mm和纤维强度0.62-1.45cN/tex)。
使用分子标记NAU5475160bp可以在棉花苗期进行选择，提高黄萎病抗性和纤维品质性状的选择效率。本发明不但有助于解决我国棉花优质抗黄萎病育种进展缓慢的问题，而且有助于克服现有育种技术对黄萎病抗性和纤维品质鉴定存在的成本高、时间长、稳定性差、效率低、准确性差等不足，快速地提高现有陆地棉品种的黄萎病抗性和纤维品质，大大加快我国高优质抗黄萎病新品种的培育与种子产业化进程。
本发明不仅有助于筛选抗黄萎病和纤维优质的材料，为今后海岛棉海1杂交、回交后代及其衍生品系的黄萎病抗性和纤维品质育种利用提供了极大的便利，同时也为QTL簇及QTL的精细定位及基因克隆奠定了基础。
附图说明
图1为来源于海岛棉海1控制棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的QTL簇在连锁图上的位置。qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1都位于第19号染色体上145.9cM位置的SSR标记NAU5475160bp附近，成簇在一起，都与标记NAU5475160bp紧密连锁。。
具体实施方式
下面通过具体实施例方式的详细描述来进一步阐明本发明，但并不是对本发明的限制，仅仅作示例说明。
实施例1筛选分子标记
(1)渐渗系的构建及表型数据的获得
以纤维优异的高抗黄萎病的海岛棉品系海1为供体亲本、以早熟的高产感黄萎病的陆地棉推广品种中棉所36为轮回亲本，构建了陆海杂交高代回交的渐渗系群体。中棉所36(CCRI36)是中国农业科学院棉花研究所培育的早熟的优异的陆地棉推广品种(国审棉990007)。
2009年种植133个BC5F3家系，收获2660株单株。
按单株收取自然铃，种植成株行，混收，种植成系，鉴定黄萎病抗性。按照黄萎病病指的高低选择300个BC5F3:5系，设置2年2个地点(2015安阳和新疆石河子、2016年安阳和新疆石河子)的试验，田间种植采用地膜覆盖的方式播种，安阳单行区两重复种植，行长5m，行宽80cm，株距25cm，新疆库尔勒2行区两重复种植，行长3m，行距按新疆当地宽窄行设置，株距为10cm。对渐渗系按照小区进行常规田间调查、纤维品质的测定及每年的7月份和8月黄萎病性状的调查。每个表型性状都成连续的正态分布。获得的表型数据(见表1和表2)。
表1 8个发病时期(或8个环境)中渐渗系群体黄萎病病指描述性统计分析
Figure BDA0001488048900000061
Figure BDA0001488048900000071
表2 4个生态环境中渐渗系群体纤维品质性状的描述性统计分析
Figure BDA0001488048900000072
(2)采用CTAB法提取300个代换系DNA及双亲DNA。
(3)分子基因型检测
以本实验室构建的中棉所36×海1BC1F1的陆海种间高密度SSR分子连锁图谱(Shiet al.2015)为基础，在每条染色体上每5-10cM选择一个标记，对300个渐渗系DNA进行基因型检测。引物由上海生工和北京三博公司合成。
SSR扩增反应体系为10μ1，其中超纯水6.40μ1，10×Buffer 1.0μ1，10mM dNTPs0.50μ1，正向引物(10μM)0.50μ1，反向引物(10μM)0.50μ1，模板DNA(30ng/μ1)1.0μ1，TaqDNA聚合酶(5U/μ1)0.10μ1。SSR扩增反应程序：94℃预变性45s；94℃变性30s，57℃退火45s，72℃延伸1min，29个循环。94℃变性60s，57℃退火45s，72℃延伸2min。扩增反应在BIOMETRA公司TGRADIENT及BIO-RAD公司PTC-200上进行，扩增产物在8％的聚丙烯凝胶中进行电泳，按照张军(2000)的方法进行凝胶银染，记录结果。
(4)黄萎病抗性和纤维品质QTL定位
利用2年4个生态环境(2015安阳和新疆石河子、2016年安阳和新疆石河子)的纤维品质的长度和强度性状的表型数据及黄萎病病指的8个发病时期(或8个环境)的表型数据和基因型数据，采用王建康的QTL IciMapping V4.0软件(http://www.isbreeding.net/software/)，进行QTL定位，在第19号染色体上145.9cM位置的SSR标记NAU5475160bp附近鉴定到3个不同性状的稳定的QTLs：qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1，都与标记NAU5475160bp紧密连锁。其中，黄萎病病指的QTL qVW-Chr19-1能在5个环境中检测到，黄萎病抗性增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花黄萎病抗性的贡献率为3.82-8.18％、降低病指4.01-6.45；纤维长度的QTL qFL-Chr19-5能在4个环境中检测到，增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花纤维长度的贡献率为5.40-10.39％、加性效应为0.43-0.62mm，纤维强度的QTLqFS-Chr19-1能在1个环境中检测到，增效基因都来源于海岛棉海1，对棉花纤维强度的贡献率为4.37-9.23％、、加性效应为0.62-1.45cN/tex(具体结果见表3)。
在这3个不同性状的QTLs，纤维长度的QTL:qFL-Chr19-1已被报道(张金凤，2012)，纤维强度的QTL:qFS-Chr19-1已被报道(马留军，2013)，而黄萎病QTL:qVW-Chr19-1没有被报道，是新发现的。这些不同性状的QTLs成簇分布在染色体Chr19上145.9cM位置的NAU5475160bp附近，形成QTL簇(Chr19-QTL簇)，QTL簇内的QTLs的增效基因都来源于同一个亲本(海1)，与标记NAU5475160bp紧密连锁，这个同时控制黄萎病抗性和纤维品质性状的QTL簇(Chr19-QTL簇)，是新发现的。与控制这3个不同性状的QTLs或QTL簇紧密连锁的SSR分子标记NAU5475160bp正向引物序列为GGCGTAATGCTGGATTTACT，反向引物序列为ACGTTTGATTTGCCATTCTT，扩增长度为160bp的海1的DNA片段。
表3第19号染色体上黄萎病抗性和纤维品质的QTLs及QTL簇
Figure BDA0001488048900000081
根据本发明的提供一种陆地棉黄萎病抗性和纤维品质同步改良的辅助育种方法，使用SSR标记NAU5475160bp在与海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中对黄萎病抗性进行分子标记选择，可获得黄萎病抗性和纤维品质同步改良的单株或株系。
实施例2陆地棉黄萎病抗性和纤维品质性状的分子标记选择辅助育种
使用实施例1获得的分子标记NAU5475160bp在与海岛棉海1及其衍生品系(品种)有关的育种群体中进行分子标记选择，包括以下步骤：
(1)DNA提取：以海岛棉海1及其衍生品系(品种)为供体亲本，陆地棉品种或品系(如中棉所60、鲁棉研28、新陆早60)为受体亲本，进行杂交、回交，获得分离群体，在苗期提取分离群体单株DNA；
(2)使用分子标记NAU5475160bp对上述(1)群体单株的基因型进行分子标记检测；
(3)对检测结果进行分析；
(4)选择带有海岛棉海1特征条带的植株，这些中选单株的黄萎病抗性和纤维品质可得到不同程度的提高。
通过本发明可获得黄萎病抗性和纤维品质得到提高的陆地棉品种(系)，可加速棉花优质抗病的育种进程。

Claims (2)

1.一种来自海岛棉海1与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记的特异性扩增引物在棉花育种中的应用，其特征在于：与棉花黄萎病抗性有关的QTL: qVW-Chr19-1位于第19号染色体上145.9 cM位置，与SSR标记NAU5475160bp紧密连锁，该分子标记的特异性扩增引物其正向引物序列为GGCGTAATGCTGGATTTACT，反向引物序列为ACGTTTGATTTGCCATTCTT，扩增长度为160bp的海岛棉海1的DNA片段；其中，所述的应用是指提高黄萎病抗性中的应用。
2.一种同步改良棉花黄萎病抗性和纤维品质性状的分子标记辅助育种方法，其特征在于，所用分子标记为NAU5475160bp，该分子标记与黄萎病抗性QTL qVW-Chr19-1紧密连锁，同时与纤维长度QTL qFL-Chr19-1和纤维强度QTL qFS-Chr19-1也紧密连锁；这3个QTLs：qVW-Chr19-1、qFL-Chr19-1、qFS-Chr19-1都位于第19号染色体上145.9 cM位置的分子标记NAU5475160bp附近，增效基因都来源于海岛棉海1，该方法包括以下步骤：
（1）以海岛棉海1为供体亲本，以陆地棉品种中棉所36为受体亲本，进行杂交、回交，获得分离群体，在苗期提取分离群体单株DNA，使用与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记NAU5475160bp的特异性扩增引物对群体单株的基因型进行分子检测；
（2）对检测结果进行分析，选择带有海岛棉海1特征条带的植株，获得黄萎病抗性和纤维品质性状得到提高的陆地棉品种；其中，所述与棉花黄萎病抗性紧密连锁的分子标记NAU5475160bp的特异性扩增引物序列和扩增的目的片段长度如下：正向引物序列为GGCGTAATGCTGGATTTACT，反向引物序列为ACGTTTGATTTGCCATTCTT，扩增长度为160bp的海岛棉海1的DNA片段。
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