【摘要】：棉花作為重要的經(jīng)濟(jì)作物,是紡織工業(yè)的原材料。棉纖維是由胚珠外珠被表皮細(xì)胞發(fā)育分化而成的一種不分叉單細(xì)胞,是研究細(xì)胞伸長(zhǎng)的強(qiáng)大模型系統(tǒng)。隨著更先進(jìn)的紡織技術(shù)被紡織工業(yè)引入,其對(duì)棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)提出了更高的要求。目前,我國(guó)主要的棉花的栽培種包括2個(gè)二倍體棉種,亞洲棉(G.arboreum L.)和草棉(G.herbaceum L.)以及2個(gè)異源四倍體棉種,陸地棉(G.hirsutum L.)和海島棉(G.barbadense L.)。棉花纖維長(zhǎng)度和產(chǎn)量是棉纖維兩個(gè)重要指標(biāo)。2個(gè)異源四倍體栽培種中,陸地棉具有產(chǎn)量高的特性,但纖維品質(zhì)中等;海島棉纖維品質(zhì)優(yōu)良,且具有抗病等優(yōu)異性狀,但是產(chǎn)量較低。為解決棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的同步改良,育種家和遺傳學(xué)家通過(guò)種間雜交的方法構(gòu)建高世代回交重組自交系(Interspecific Backcross Inbred,BIL)和染色體片段代換系(Chromosome Segment Substitution Line,CSSL)來(lái)對(duì)棉花纖維品質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行遺傳改。R2R3-MYB基因家族作為棉纖維發(fā)育過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)基因家族,其家族多個(gè)成員參與到了纖維發(fā)育的不同階段。然而,這些基因的遺傳變異是否直接影響棉花纖維品質(zhì)和產(chǎn)量,棉花種質(zhì)中是否存在這類基因的優(yōu)良等位變異,它們是否能直接應(yīng)用于棉花纖維品質(zhì)和產(chǎn)量的遺傳改良等問(wèn)題還有待研究。本研究通過(guò)對(duì)R2R3-MYB基因家族在已經(jīng)完成基因組測(cè)序的陸地棉(AD1)和海島棉(AD2)及他們的2個(gè)二倍體祖先種雷蒙德氏棉(G.raimondii,D5)和亞洲棉(G.arboreum,A2)中進(jìn)行了全基因組比較分析;利用纖維性狀QTL(quantitative trait locus)熱點(diǎn)區(qū)域(hotspots)與R2R3-MYB基因家族成員進(jìn)行共定位,篩選纖維發(fā)育相關(guān)候選基因;對(duì)具有海陸遺傳變異的候選基因在海陸為親本的BIL群體中與纖維性狀進(jìn)行相關(guān)性分析,挖掘優(yōu)良等位變異,并對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證,主要結(jié)果如下:1.利用陸地棉(AD1)和海島棉(AD2)及其2個(gè)二倍體祖先種雷蒙德氏棉(D5)和亞洲棉(A2)的基因組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)棉花中的R2R3-MYB基因家族成員。在這4個(gè)棉種中,本研究共鑒定到1228個(gè)R2R3-MYB基因,其中216個(gè)來(lái)自雷蒙德氏棉D(zhuǎn)5基因組,213個(gè)來(lái)自于亞洲棉A2基因組,406個(gè)來(lái)自于陸地棉AD1基因組,393個(gè)來(lái)自于海島棉AD2基因組。對(duì)四個(gè)棉種的R2R3-MYB基因家族成員進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析和密碼子替換率分布分析,發(fā)現(xiàn)棉花在從兩個(gè)二倍體祖先種進(jìn)化至兩個(gè)異源四倍體種的過(guò)程中,R2R3-MYB基因家族發(fā)生了7種特異的基因復(fù)制和缺失事件模型;同時(shí)該家族成員在2個(gè)四倍體棉種中的2個(gè)亞基因組(At和Dt)中存在不均衡進(jìn)化。2.本研究首次利用全基因組共定位的方法在海陸種間群體內(nèi)去闡明R2R3-MYB基因家族成員海陸之間序列多樣性和纖維品質(zhì)及產(chǎn)量等自然變異之間的遺傳學(xué)關(guān)系。結(jié)果顯示,86個(gè)R2R3-MYB基因能夠與纖維品質(zhì)和產(chǎn)量的QTL hotspots發(fā)生共定位,其中包括42個(gè)R2R3-MYB基因共定位在纖維長(zhǎng)度的QTL hotspots;將20個(gè)種間SNP(single nucleotide polymorphism)開(kāi)發(fā)成分子標(biāo)記在兩個(gè)不同海陸親本的高世代回交重組自交系(backcross inbred lines,BILs)中進(jìn)行相關(guān)性分析。共得到11個(gè)候選基因內(nèi)存在的SNP位點(diǎn)與纖維品質(zhì)具有極顯著的相關(guān)性,表明這些基因種間的序列多樣性與纖維品質(zhì)性狀的自然變異具有相關(guān)性;除此之外,我們發(fā)現(xiàn)5對(duì)海陸等位基因的功能SNP位點(diǎn)與這些基因的在纖維發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)模式存在一定的相關(guān)性。3.利用全基因組染色體共定位的方法,本研究篩選到一個(gè)與纖維發(fā)育相關(guān)的候選基因GhMYB5_A12。該基因與一個(gè)纖維性狀QTL-cluster發(fā)生共定位,該QTL-cluster內(nèi)包含一個(gè)纖維長(zhǎng)度Hotspot,FL_QTL_Hotspots_A12,該結(jié)果在遺傳學(xué)角度上說(shuō)明了該基因在纖維發(fā)育過(guò)程中有可能發(fā)揮著比較重要的作用。表達(dá)模式分析結(jié)果顯示,該基因在纖維中優(yōu)勢(shì)表達(dá),其他組織中幾乎不表達(dá)。另外GhMYB5_A12在海島棉和陸地棉纖維發(fā)育過(guò)程中轉(zhuǎn)錄水平存在差異,且海陸等位基因存在一個(gè)種間SNP位點(diǎn)。對(duì)該SNP位點(diǎn)在陸地棉SG 747與海島棉Giza 75為親本的BC_2F_6群體中進(jìn)行基因分型。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,海島棉的該位點(diǎn)與4個(gè)環(huán)境的纖維長(zhǎng)度呈顯著或極顯著正相關(guān),與3個(gè)環(huán)境的強(qiáng)度呈顯著正相關(guān),同時(shí)與3個(gè)環(huán)境的衣分呈顯著正相關(guān),結(jié)果表明來(lái)自于海島棉MYB5的等位基因能夠改善纖維的長(zhǎng)度、強(qiáng)度和衣分。4.在擬南芥中過(guò)表達(dá)GhMYB5_A12,對(duì)T_3代擬南芥株系的種子進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)GhMYB5_A12能夠促進(jìn)擬南芥表皮毛的產(chǎn)生,并且有的表皮毛出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象。3個(gè)T_3代轉(zhuǎn)基因株系的種皮毛出現(xiàn)概率分別為8.52%,8.24%和7.08%。以陸地棉中24(CRI24)為受體,將該基因的過(guò)表達(dá)載體轉(zhuǎn)入棉花中。發(fā)現(xiàn),2個(gè)T_3代過(guò)表達(dá)株系中0 DPA纖維細(xì)胞突起數(shù)目明顯增多,同時(shí)成熟纖維的長(zhǎng)度、強(qiáng)度及衣分也顯著增加。以上結(jié)果說(shuō)明該基因在棉花的纖維的起始和伸長(zhǎng)過(guò)程中都發(fā)揮著比較重要的作用。利用VIGS技術(shù)得到兩組GhMYB5_A12 VIGS植株(G 1和G 2),發(fā)現(xiàn)在0 DPA時(shí),VIGS植株纖維突起細(xì)胞均明顯減少,另外成熟纖維的衣分明顯降低。5.本研究利用0,3和7 DPA胚珠和纖維的混合cDNA文庫(kù)作為誘餌庫(kù)對(duì)GhMYB5_A12進(jìn)行文庫(kù)篩選,得到101個(gè)陽(yáng)性克隆,其中包括8個(gè)已經(jīng)被證明與纖維發(fā)育相關(guān)的蛋白。為了明確海陸等位基因種間SNP位點(diǎn)對(duì)其在纖維發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的功能的影響,本研究分析了MYB5海陸兩種基因型與纖維發(fā)育相關(guān)蛋白(GhHOX3、GhEGL3、Gh14-3-3、GhRDL、GhHD1以及GhEXPA)的相互作用。結(jié)果顯示,GhMYB5_A12和GbMYB5_A12同時(shí)都和GhEGL3及GhHOX3發(fā)生互作,為MYB5參與纖維發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了證據(jù),而且證明了海陸序列變異對(duì)其蛋白的結(jié)合能力沒(méi)有影響。
【圖文】：

西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文時(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐中，棉纖維也是重要的工業(yè)原材料和最廣泛的天然纖維材料，解析其生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理，對(duì)于旨在于提高纖維產(chǎn)量和品質(zhì)開(kāi)展的分子育種及棉花產(chǎn)業(yè)均具有重要意義。棉纖維發(fā)育過(guò)程可分為互相重疊的四個(gè)時(shí)期：纖維起始階段（initiation），纖維伸長(zhǎng)階段（elongation），次生壁合階段（secondary cell wall synthesis，SCW）成及成熟階段（maturation）（圖 1-1）(Ramsey and Berlin, 1976a, b)。棉纖維的四個(gè)不同發(fā)育階段都對(duì)棉花的品質(zhì)和產(chǎn)量有一定的影響 (Ramsey and Berlin, 1976a, b)。纖維細(xì)胞起始分化和伸長(zhǎng)期影響著每個(gè)胚珠上纖維的數(shù)量及長(zhǎng)度。伸長(zhǎng)和次生壁增厚期則影響著纖維的強(qiáng)度和馬克隆值。棉花纖維發(fā)育的前三個(gè)時(shí)期，，伴隨著許多重要生理生化過(guò)程，同時(shí)大量的基因也對(duì)這三個(gè)時(shí)期發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。目前對(duì)棉花纖維發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)理的研究主要主要集中在關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子、植物激素、表觀遺傳調(diào)控和信號(hào)分子這 4 方面（圖 1-2）(Wang et al., 2019a)。

第一章 文獻(xiàn)綜述外，低濃度的油菜素內(nèi)酯（brassinosteroid，BR）能顯著促進(jìn)棉纖維細(xì)胞的 合成抑制則抑制纖維細(xì)胞的發(fā)育 (Sun et al., 2005)。另一個(gè)證明 BR 參與纖維例子是，研究者發(fā)現(xiàn)棉花細(xì)胞色素 P450 基因（PAG1）突變體，pag1，纖維型相比顯著縮短的同時(shí)表現(xiàn)出葉片黑綠和植株矮小等BR缺失的典型表型 (Y2014)。通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)，研究者還提出了植物激素與超長(zhǎng)鏈脂肪酸通過(guò)級(jí)聯(lián)反維細(xì)胞的發(fā)育，如圖 1-4 所示 (Qin et al., 2007)。目前關(guān)于超長(zhǎng)鏈脂肪酸對(duì)育的影響剛剛起步，脂肪酸代謝相關(guān)基因參與纖維伸長(zhǎng)的分子機(jī)制研究也只水平，所以，該領(lǐng)域有待進(jìn)一步研究。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S562

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本文編號(hào)：2647908