中棉所12及其選系配制的雜交棉基因差異表達(dá)和胞嘧啶甲基化遺傳研究.pdf

1、棉花是世界上主要的經(jīng)濟(jì)作物，在80多個(gè)國家種植，不僅是世界上主要的天然纖維來源，也是僅次于大豆的重要油料和蛋白作物.棉花作為我國的一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)作物，近十余年來，雜交棉，特別是抗蟲雜交棉，在長江流域和黃河流域已大面積推廣，雜交棉的推廣及應(yīng)用在提高棉花產(chǎn)量方面起著決定作用，
　　 中棉所12是我國首次攻克抗病、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)三者不易結(jié)合而培育成的優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)品種，具有較強(qiáng)的遺傳力、配合力和遺傳穩(wěn)定性.作為棉花育種的種質(zhì)材料，顯示出骨

2、干親本巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前關(guān)于中棉所12的大量研究主要集中在遺傳育種學(xué)和生理生化方面，而從分子水平探討骨干親本的研究還沒見報(bào)道。隨著分子生物學(xué)研究手段的日益提高和完善，有必要對骨干品種（親本）中棉所12從分子水平進(jìn)行深入剖析，了解復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)，揭示優(yōu)良基因型的遺傳本質(zhì)，為骨干親本在雜種優(yōu)勢中所起重要作用提供理論依據(jù)，在理論和生產(chǎn)實(shí)踐上都具有十分重大的意義.
　　 本研究以中棉所12及其2個(gè)選系為親本組配的4個(gè)雜交棉中棉所2

3、8、中棉所29、湘雜棉2號、冀棉18不同生長部位（根和葉），不同生育期（苗期、蕾期、花期）為研究材料，采用cDNA-AFLP技術(shù)分析雜交棉與親本基因差異表達(dá)，從分子水平探討骨干親本在雜種優(yōu)勢中所起重要作用；同時(shí)采用MSAP方法從基因表達(dá)調(diào)控角度探討雜交棉與親本的胞嘧啶甲基化水平和遺傳傳遞模式。結(jié)果如下：
　　 1、雜種優(yōu)勢表現(xiàn)的時(shí)空性
　　 通過對中棉所12及其選系配制的四個(gè)雜交棉苗期不同組織部位營養(yǎng)生長雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)特

4、性分析發(fā)現(xiàn)地上部分葉和地下部分根存在不同的雜種優(yōu)勢，說明雜種優(yōu)勢表現(xiàn)存在組織差異性.
　　 通過對中棉所12及其選系配制的四個(gè)雜交棉的不同生育時(shí)期營養(yǎng)生長參數(shù)干物質(zhì)重量的雜種優(yōu)勢分析發(fā)現(xiàn)，在苗期，冀棉18、湘雜棉2號、中棉所29三個(gè)雜交棉表現(xiàn)出正向超中親優(yōu)勢，中棉所28雜交棉表現(xiàn)為超親優(yōu)勢；在蕾期，雜交棉冀棉18和中棉所28表現(xiàn)出正向超中親優(yōu)勢，中棉所29和湘雜棉2號表現(xiàn)為超親優(yōu)勢；在花期，雜交棉湘雜棉2號表現(xiàn)出正向中親優(yōu)勢，冀

5、棉18、中棉所28、中棉所29三個(gè)雜交棉表現(xiàn)為超親優(yōu)勢。表明雜交棉在不同生育時(shí)期存在營養(yǎng)生長雜種優(yōu)勢差異；
　　 在產(chǎn)量上，冀棉18、中棉所28和中棉所29三個(gè)雜交棉表現(xiàn)出超親優(yōu)勢，雜交棉湘雜棉2號表現(xiàn)為中親優(yōu)勢，說明中棉所12選系配制的四個(gè)雜交棉在產(chǎn)量上可以表現(xiàn)出不同的雜種優(yōu)勢；
　　 四個(gè)雜交棉在纖維品質(zhì)性狀上都存在一定的優(yōu)勢現(xiàn)象，但是優(yōu)勢率比較低，其中纖維品質(zhì)的主要指標(biāo)比強(qiáng)度只有長江流域棉區(qū)品種湘雜棉2號有超親優(yōu)勢

6、，其余三個(gè)組合均無.說明四個(gè)雜交棉在纖維品質(zhì)上的優(yōu)勢表現(xiàn)不是太明顯。
　　 總之，雜種優(yōu)勢可以表現(xiàn)在棉花生長和發(fā)育的不同階段、不同部位和不同性狀上，尤其主要表現(xiàn)在營養(yǎng)生長和產(chǎn)量性狀上，且不同雜交組合因其選配親本和環(huán)境的影響，雜種優(yōu)勢表現(xiàn)不盡相同.
　　 2、基因差異表達(dá)和雜種優(yōu)勢
　　 采用cDNA-AFLP技術(shù)研究中棉所12及其選系組配的4個(gè)雜交棉中棉所28、中棉所29、湘雜棉2號、冀棉18苗期基因差異表達(dá)?；?/p>

7、因差異表達(dá)分為4種類型：Ⅰ.雜交種上調(diào)表達(dá)型；Ⅱ.單親顯性表達(dá)型；Ⅲ.單親下調(diào)表達(dá)型；Ⅳ.雜交種下調(diào)表達(dá)型。在根和葉的基因差異表達(dá)豐富程度上，葉部差異表達(dá)基因數(shù)目和比例(29.20％～46.09％)要比根部（15.65％～22.49％）高的多，說明根和葉的基因表達(dá)上存在相異性，葉中基因差異表達(dá)可能比根中基因差異表達(dá)對雜種優(yōu)勢形成作用更大。
　　 采用cDNA-AFLP技術(shù)研究中棉所12選系及其組配的4個(gè)雜交棉中棉所28、中棉所2

8、9、湘雜棉2號、冀棉18三個(gè)主要生育期-苗期、蕾期和花期的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)。從三個(gè)時(shí)期各差異表達(dá)類型的累計(jì)次數(shù)分布看，單親顯性表達(dá)型比例最高，約為37.26％（其中母本中棉所12顯性表達(dá)型占19.37％，父本顯性表達(dá)型占17.89％），其次為單親下調(diào)表達(dá)型，約為34.18％（其中母本中棉所12下調(diào)表達(dá)型約占12.43％，父本下調(diào)表達(dá)型約占21.75％），雜交種Fi上調(diào)表達(dá)型位居第三(15.03％)，雜交種F1下調(diào)表達(dá)型比例最低(13.53％

9、)，后二者相差不大.在生長發(fā)育的不同時(shí)期，雜交種相對于親本的各種基因差異類型所占比例有所不同，表明基因的差異表達(dá)具有時(shí)序表達(dá)的特征。
　　 分析基因表達(dá)差異與營養(yǎng)生長和產(chǎn)量性狀優(yōu)勢之間的關(guān)系表明：在苗期雜交種上調(diào)表達(dá)有利于營養(yǎng)生長雜種優(yōu)勢的發(fā)揮；在蕾期雜交種上調(diào)表達(dá)和母本下調(diào)表達(dá)有助于營養(yǎng)生長雜種優(yōu)勢的發(fā)揮；在花期雜交種上調(diào)表達(dá)有利于產(chǎn)量雜種優(yōu)勢發(fā)揮，母本下調(diào)表達(dá)不利于雜交種高產(chǎn).多種基因差異表達(dá)模式的并存說明雜種優(yōu)勢可能是多基

10、因共同作用產(chǎn)生多種效應(yīng)的結(jié)果，雜交種上調(diào)表達(dá)型與營養(yǎng)生長和產(chǎn)量雜種優(yōu)勢呈顯著正相關(guān)，推測超顯性效應(yīng)在雜種優(yōu)勢產(chǎn)生中可能起主導(dǎo)作用；母本下調(diào)表達(dá)不利于產(chǎn)量雜種優(yōu)勢發(fā)揮和雜交種高產(chǎn)，暗示了親本基因尤其是母本基因在雜交種中的抑制不利于雜交種表現(xiàn)雜種優(yōu)勢.
　　 只有有了好的親本，才能育成好的雜交棉。中棉所12選系在苗期和蕾期都是冀棉18、中棉所29、中棉所28的高值親本，干物質(zhì)積累的營養(yǎng)生長優(yōu)勢，為雜交棉的高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ).花期基因

11、表達(dá)差異與產(chǎn)量性狀優(yōu)勢之間的關(guān)系表明，母本中棉所12下調(diào)表達(dá)不利于雜交棉高產(chǎn)，從分子水平說明了中棉所12選系在雜交棉冀棉18、中棉所29和中棉所28的雜種優(yōu)勢產(chǎn)生中起重要作用.
　　 3、棉花DNA胞嘧啶甲基化水平和遺傳模式研究
　　 采用MSAP技術(shù)研究了中棉所12配制的兩個(gè)雜交棉（湘雜棉2號、中棉所28）苗期、蕾期、花鈴期的基因組DNA5＇-CCGG位點(diǎn)胞嘧啶的甲基化水平和甲基化遺傳傳遞模式.研究發(fā)現(xiàn)在苗期雜交棉湘雜

12、棉2號組合和中棉所28號組合胞嘧啶甲基化水平為12.41％～18.34％;在蕾期，雜交棉湘雜棉2號組合和中棉所28號組合胞嘧啶甲基化水平為18.35％～20.05％;在花鈴期，雜交棉湘雜棉2號組合和中棉所28號組合胞嘧啶甲基化水平為15.94％～17.07％.說明雜交棉不同發(fā)育時(shí)期的胞嘧啶甲基化水平不同，隨著生育期的逐步推進(jìn)，雜交棉與親本甲基化水平出現(xiàn)兩頭低而中間高現(xiàn)象.DNA甲基化具有生育期特異性，這從一定程度可解釋不同時(shí)期基因的差異

13、表達(dá).
　　 比較幾種不同的甲基化水平可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)胞嘧啶的全甲基化的水平(平均值為9.37％)高于外側(cè)胞嘧啶的半甲基化水平（平均值為6.05％）和外側(cè)或內(nèi)外側(cè)胞嘧啶全（雙鏈）甲基化水平（平均值為1.85％），說明棉花基因組的DNA甲基化模式主要以內(nèi)側(cè)胞嘧啶的全甲基化為主.在各種胞嘧啶甲基化模式中，雜交棉湘雜棉2號組合和中棉所28組合花鈴期的外側(cè)或內(nèi)外側(cè)胞嘧啶全甲基化水平明顯少于苗期和蕾期，說明在花鈴期發(fā)生了顯著的去甲基化，花鈴

14、期在DNA的總體甲基化水平比蕾期降低2.77％。
　　 棉花中絕大多數(shù)(96.61％～98.86％)CCGG胞嘧啶甲基化位點(diǎn)是由親本穩(wěn)定遺傳給雜交種的，雜交棉只有1.14％～3.39％的位點(diǎn)顯示了變異，其變異頻率在不同親本組合之間和不同發(fā)育時(shí)期都存在差異。
　　 通過對甲基化差異條帶測序分析發(fā)現(xiàn)，其功能涉及到富含亮氨酸重復(fù)、類PDR的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、GTP結(jié)合蛋白、病程相關(guān)蛋白、磷酸激酶、功能未知的蛋白質(zhì)和反轉(zhuǎn)錄酶等，部