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                        生物技术助力棉花育种产业的创新与发展

                        2018-05-09 15:00 | 作者: 袁有禄 魏晓文 毛树春 潘境涛 方红曼 吕慧颖 邓向东 葛毅强 魏珣 杨维才 | 标签: 棉花

                        原标题:《棉花育种行业创新与进展》
                        作者单位:中国农业科学院棉花研究所,中国科学院遗传与发育生物学研究所


                        摘要:本文对2017年国内外棉花遗传育种领域取得的重要研究进展进行了概括性评述。棉花基因芯片技术得到了广泛应用,一批重要产量、品质性状基因获得定位和克隆。棉花全基因组关联分析(GWAS)取得重大突破,陆地棉高密度遗传图谱构建取得重大进展,棉花芽黄、纤维品质性状基因的精细定位及克隆取得较大进展,在棉花转基因新方法、转基因抗虫、抗除草剂新材料等方面,进展显著。文中并进一步结合我国棉花发展现状、未来趋势与所面临的机遇,提出了我国棉花发展应采取的一些对策。

                        1、我国棉花生产现状

                        1.1棉花产业维系国家经济安全?

                        我国常年植棉540万公顷,占全世界的17%;棉花总产750万吨,占世界21%。我国主要植棉区农业人口达5亿,劳动力2亿。直接从事棉纺及相关行业人员达1900多万人,间接就业人员达到1亿人左右。

                        2016年我国纺织品服装出口虽然连续两年下滑至2672.5亿美元,但出口额仍占全国出口总值的12.7%;贸易顺差2438.9亿美元,占全国贸易顺差5099.6亿美元的47.8%。
                        棉花产业安全不仅关系到农民增收、农村经济发展,而且还关系到棉纺业以及国家对外商业贸易。同时对社会稳定等均具有十分重要的战略意义。

                        1.2我国棉花生产消费缺口大且长期存在

                        据国家统计局数据,2016年我国棉花种植面积338万公顷,比上年减少42万公顷;棉花产量534万吨,比上年减产4.6%。2016年我国纱产量达4039.5万t,同比增长3.5%。
                        据海关统计,2016年我国累计进口棉花89.7万吨,同比减少39.1%;全年平均进口价格1746美元/吨,与2015年基本持平;但全年累计进口棉纱仍然达到196.8万吨,比上年减少16.1%。

                        根据美国农业部数据,2016-2017年度我国棉花生产量495.3万吨,消费816.5万吨,缺口达321.2万吨。棉花库存从高峰时的1457万吨下降到1054万吨,并预计下年度下降到860万吨左右。

                        1.3我国棉花生产水平不低但竞争力低下

                        根据美国农业部数据,2016-2017年度我国棉花单产达1708千克/公顷,高于世界平均(784千克/公顷)以及美国(972千克/公顷)、印度(542千克/公顷)等主产地棉花生产水平,仅与澳大利亚等高产国家存在一定差距。

                        据国家统计局数据,从2002?2014年,我国棉花生产总成本从677.6元/亩增长到2157.9元/亩,提高2.2倍,年均增长10.6%。其中生产成本和土地成本年均增长率均超过10%;而人工成本更是从249.1元/亩增长到1347.6元/亩,提高4.4倍,年均增长15.1%。

                        2、我国棉花未来发展趋势


                        2.1调整棉花区域结构,保持棉区“三足鼎立”的优化布局

                        在确保我国粮食安全的大背景下,三大棉花生产区域中的长江流域和黄河流域两大棉区由于植棉比较效益逐年下降,棉花生产规模呈现逐年减少的趋势,近年来的下降趋势更为显著,黄河流域和长江流域两棉区面积下降20%以上。棉花生产重心由长江流域棉区、黄河流域棉区和西北内陆棉区齐头并进,转变为以新疆为主的西北内陆棉区一枝独秀,黄河流域棉区和长江流域棉区转为辅助性产区。近三年来,我国棉花播种面积西北内陆占45%,黄河流域占25%,长江流域占19%。未来西北内陆棉田要控制在50%以下,面积不超过2500万亩;黄河流域棉区保持2000万亩生产规模,长江流域主要是中游棉区保持1000万亩生产规模。这些棉区不同程度存在盐碱、干旱、高温、水淹等问题,亟需培育耐逆棉花新品种。

                        2.2优质多抗高产高效是我国棉花研究重心

                        农产品供给侧结构性改革对棉花产量、品质提出了新要求。棉花生产由片面追求高产转向兼顾产量、效益和品质,重点是品质提升。(1)用中高端品质引领现代棉纺织业发展。这是植棉业转型升级的主攻目标,只有全面提升品质才能赢得市场,只有全面提升品质才能与高成本相对应,唯全面提升品质才能保住生产规模。因此,要培育“双30”(纤维长度在30mm,纤维强度在30cN/tex以上,长度整齐度指数超过85%)的优质棉花新品种。(2)用“四化”引领现代植棉业的发展,全面降低生产成本,即轻简化、绿色化、机械化和组织化生产。其中,全程机械化要求培育与之配套的农机与农艺结合的早熟性好、综合性状优良的机采棉花新品种。

                        3、我国棉花发展的对策

                        综合我国棉花发展现状、未来趋势与所面临的机遇,我国棉花发展应采取如下对策。

                        3.1加大种质资源的系统评价、基因资源挖掘、创新与利用

                        种质资源是新品种培育的基础,是实现农业生产可持续和跨越发展的战略性资源。我国不是棉花原产地,种质资源遗传基础狭窄,虽然收集、保存棉花种质8868份,拥有的棉花资源绝对数量不少,但研究的深度不够,应用的数量不多,在育种中进行利用价值评估的基因数目更少,基因发掘研究与实际利用相脱节,因此,通过多种手段拓宽棉花遗传基础成为棉花种质创新的当务之急。随着野生棉、中棉以及未来的陆地棉和海岛棉基因组测序的完成,从基因组水平和基因组变异对野生资源的深入鉴定和新基因挖掘及评价有待开展。

                        3.2加快分子设计育种创新体系建设,创制突破性的棉花新品种

                        目前我国棉花主要是采用复式杂交结合分子标记辅助选择的育种模式,但品种遗传基础比较狭窄,杂交育种周期较长,新技术、新方法对育成品种的贡献率仍然较低。另外,目前育成的品种还很难满足其简化栽培的需求,培育适合轻型化栽培的品种,如适宜简化整枝的品种、简化治虫的品种。因此,在全基因组水平挖掘育种亲本优异等位变异及基因,探究基因/QTL与环境互作和基因间互作,构建基因组设计育种技术体系;实现分子育种与常规育种技术的紧密结合,对目标性状进行设计与操作,实现优良基因的最佳配置,提高多目标性状同步改良的效率,真正实现从“经验育种”到“精确育种”的转变;以品种为突破口,从而实现省工、节本、增效,进一步提升我国棉花国际竞争力,为我国棉花安全提供品种保证。

                        4、国外研究进展

                        4.1重视外源种质基因利用,染色体置换系成为将外源基因渐渗入陆地棉的有效方式

                        由于全基因组水平上的难融合,通过传统的渐渗将外源种质基因导入陆地棉实现基因重组难度大,而利用外源染色体置换系,可实现特定染色体或染色体片段的基因重组。美国农业部作物科学研究室的科学家首次将两个外源种(四倍体野生棉种毛棉和海岛棉)渐渗到一个陆地棉(TM?1)遗传背景中,培育了一套染色体置换系,通过置换系的不完全双列杂交研究染色体的效应,并进一步通过TM?1与置换系及常规品种的杂种F2及F3评价了chro.1、4、和18的遗传效应。这些研究明确了来自四倍体野生棉种毛棉和海岛棉染色体置换系拥有大量的改良陆地棉纤维性状的有益位点。

                        4.2CRISPR/Cas9技术已成功用于棉花

                        美国东卡罗林那大学张宝红教授团队构建了棉花高效目标基因突变的CRISPR/Cas9系统。其针对GhMYB25基因在A与D基因亚组相似的区域设计了2个单链向导RNA(sgRNAs),GhMYB25?like?sgRNA1和GhMYB25?like?sgRNA2,开展Cas9介导的异源四倍体棉花的基因编辑。美国德州农工大学植物基因组及生物技术所Rathore教授团队利用含有绿色荧光蛋白基因(GFP)的转基因棉花,通过基因编辑技术敲出该基因,并获得成功。

                        ?4.3转基因棉籽油分含量及抗虫、耐热新材料取得重大进展

                        (1)澳大利亚CSIRO的柳青教授团队通过种子特异RNAi下调b?ketoacyl?ACP合酶II(KASII)基因ghKAS2的表达,最终棉籽油中的棕榈酸Palmiticacid(C16∶0)含量由35%提高到65%。
                        (2)美国德州科技大学张红教授团队通过在棉花中过量表达水稻SUMO E3连接酶基因OsSIZI,提高了耐旱及耐热性,在减少灌水条件下,提高了棉花产量。
                        (3)巴西联邦科学院遗传资源及生物技术所的Grossi?de?Sa教授团队培育了转Cry10Aa基因的转基因抗虫棉。

                        ?4.4meta分析鉴定了大量棉花生物及非生物逆境抗性QTL?

                        QTL数目及位置的确定依赖于基因型及环境表现型鉴定,不同遗传背景及环境稳定的QTL的鉴定是标记辅助育种的前提。美国新墨西哥州立大学张金发教授团队通过meta分析,结合前人的研究,鉴定了661个棉花生物及非生物逆境抗性QTL,98个(温室鉴定)、150个(大田鉴定)与抗旱性有关;80个(温室鉴定)与耐盐性有关;201个与黄萎病抗性有关,47个与枯萎病抗性有关,85个与根结线虫及肾形线虫抗性有关,23个QTLclusters在15条染色体上(c3,c4,c5,c6,c7,c11,c14,c15,c16,c19,c20,c23,c24,c25和c26),c4有黄萎病的hotspot,c19有枯黄萎病抗性。

                        4.5全基因组关联分析(GWAS)已成为目标性状的标记开发有效手段

                        巴基斯坦国家生物技术及遗传工程研究所对185个陆地棉材料进行多点性状评价,利用382个SSRs对其中10个陆地棉材料进行基因分型,进一步利用95个具有多态性的SSRs对185个材料进行基因分型,明确了MGHES?51与所有的研究性状关联。

                        美国农业部作物资源研究团队等利用63K棉花芯片,对棉花种质资源进行基因分型,找到了与棉籽蛋白含量关联的SNP。

                        5、国内研究进展及趋势

                        5.1棉花全基因组关联分析(GWAS)取得重大突破

                        (1)南京农业大学、浙江大学张天真教授团队联合中国农业科学院棉花研究所杜雄明团队对318份棉花品种(系)的全基因组重测序,揭示了从“美棉”品种改良为全球最大纤维作物品种改良的遗传基础和演化规律,鉴定出25个品种改良相关位点和119个产量、纤维品质、黄萎病抗性等关联位点。尤其是鉴定出能同时提高2~3个产量性状或纤维品质性状的关联基因,为棉花“精准育种”提供了优异的基因资源和理论指导,具有非常重要的应用价值。

                        (2)陆地棉全基因组重测序解析驯化过程中的遗传机制?;信┮荡笱д畔琢淌诹斓嫉拿藁ㄍ哦?,对352份棉花种质资源进行全基因组重测序,并通过GWAS、群体进化以及Hi?C分析,研究棉花驯化的遗传机制,发现了陆地棉驯化过程中的不对称亚基因组选择和顺式调控分歧;找到了93个受驯化选择的区段,并通过GWAS分析找到了19个候选位点与纤维品质相关性状相关。本研究证实了棉花驯化过程中的亚基因组存在不对称的选择,并且定向选择长纤维性状。

                        (3)南京农业大学张天真教授团队等选用了147个四倍体棉种包括33个陆地棉半野生棉、53个陆地棉栽培品种、58个海岛棉品种,还有毛棉、黄褐棉和达尔文氏棉等3个野生四倍体棉种进行基因组重测序。群体结构、主成分分析及进化分析均揭示在四倍体棉花形成以后海岛棉和陆地棉是独立驯化的。海岛棉和陆地棉之间存在大量染色体片段的渐渗,而且渐渗主要从陆地棉半野生种到海岛棉中,推测这种染色体片段的渐渗可能与海岛棉优异的纤维品质相关?;狗⑾至嘶蜃橹?09个选择性区域,其中12个选择信号较高的A和D亚组共同选择的区域,可能是由于对驯化基因的共同选择引起的。这些自然选择区域的候选基因可以做为棉花育种研究的重要的基因资源。

                        (4)中国农业科学院食品科学及技术研究所戴小枫团队通过对299个棉花材料的SLAF?seq,鉴定出17个SNP与黄萎病抗性有关;A10上的1个SNP多环境稳定,该区域的1个基因CG02与抗性有关,为抗病分子育种奠定了重要基础。

                        (5)中国农科院棉花研究所李付广团队通过对215份亚洲棉的重测序分析,鉴定出309个与黄萎病抗性有关的位点,发现了一个重要的单倍型位点,有5个基因,其中GaGSTF9值得深入研究。

                        (6)中国农科院棉花所杜雄明团队等通过对302个优良陆地棉品系的12个环境的产量及品质性状的评价,以及198个SSR标记的基因型分析,关联分析获得57个显著的标记性状关联,纤维长度7个,纤维细度10个,纤维强度9个,纤维伸长率8个,纤维整齐度指数5个,纤维整齐度比率5个,铃重6个,衣分7个。24个关联的QTL与前人报导一致。

                        5.2棉花基因芯片技术得到广泛应用

                        (1)高通量的基因分型平台在植物基因组研究中起着重要作用。南京农业大学郭旺珍团队构建了高密度的80K SNP棉花芯片,含有77,774个SNP位点,352个棉花材料分析,76.51%的位点具有多态性;通过对288个陆地棉材料的芯片GWAS分析,54,588个SNPs与10个耐盐性状有关,8个SNPs与3个耐盐性状显著关联。

                        (2)河北农业大学马峙英团队通过对719个陆地棉材料的美国63K芯片分析,发现46个显著的SNPs与5个纤维品质性状关联,涉及到612个候选基因,有2个与纤维长度及强度有关的单倍型,有163个及120个纤维发育基因分别与纤维长度、强度有关。

                        (3)华中农业大学张献龙团队通过对503个陆地棉材料的芯片分析(63K),鉴定了与16个农艺性状有关的324 SNPs及160个QTL,38个相关区域控制了2个及以上的性状。

                        5.3陆地棉高密度遗传图谱构建取得重大进展

                        (1)高密度遗传图谱的构建及多环境稳定的QTL的挖掘为分子标记辅助育种奠定了重要基础。西南大学张正圣团队利用180个优质陆地棉RIL,构建了含2051个SSR标记位点,遗传图距为3508.29cM,标记间距离为1.71cM的高密度遗传图谱;利用6个环境的产量及品质数据,鉴定了113个QTLs,其中50个多环境稳定,其中18个两者方法检测到纤维品质11个,产量7个,可以考虑标记辅助育种。

                        (2)中国农科院棉花所喻树迅团队通过GBS构建陆地棉F2群体高密度遗传图谱,该图谱含有3978个SNP标记,遗传图谱为2480cM,挖掘47个与6个早熟性状有关的QTLs,其中D03上QTL富集,其中Gh_D03G0885和Gh_D03G0922两个基因,在早熟棉亲本中表达量高。

                        (3)中国农业科学院棉花研究所袁有禄团队利用63K棉花芯片,构建了含2393个SNP位点的陆地棉重组自交系群的高密度遗传图谱,一共检测到63个纤维强度的QTLs,16个多环境稳定;同样利用该群体及63K芯片及少量SSR标记构建的图谱,定位了119个与病指有关的QTLs,7个多环境稳定;59个与发病株率有关的QTLs。

                        (4)为了更好地了解棉花苗期的耐盐机制,中国农业科学院棉花研究所杜雄明团队利用耐盐品种CCRI35与盐敏感材料构建277个F2分离群体,通过GBS构建了含5178个SNP标记的高密度遗传图谱,覆盖4768.098cM,标记间距离0.92 cM;F2∶3群体经0、110、150mol/L三种盐处理,一共找到与10个耐盐性状有关的66个QTLs,14个QTLs稳定检测。8个QTL clusters,12个关键基因与盐有关。

                        5.4一批重要产量、品质性状基因获得定位

                        (1)南通大学汪?;哦佑朊拦糁窝谴笱Ш献骼寐降孛抻牖坪置薜幕亟桓叽牧?BC3F2,BC3F2∶3),利用SSR标记找到42个QTL,15个纤维强度,27个马克隆值,18个多环境稳定;研究表明利用黄褐棉渐渗可以改良陆地棉的纤维品质。

                        (2)陆地棉产量高,适应性好;海岛棉纤维品质突出。南京农业大学张天真团队首次培育了海岛棉背景的陆地棉染色体片段渐渗系(GhILs_Gb)。通过全基因组SSR标记筛选,找到了39个与衣分、铃重、子指、纤维长度、强度、马克隆值有关的QTLs,4个QTL簇。大多数产量相关性状的QTL在海岛棉背景下提高了皮棉产量,而纤维品质性状的QTL在海岛棉背景下却降低了纤维长度及强度。

                        (3)中国农科院棉花所袁有禄团队利用陆地棉背景的海岛棉染色体片段代换系与轮回亲本杂交构建F2及F2∶3群体,检测到18个与纤维品质性状相关的QTLs,6个与纤维产量性状相关的QTLs,有5个渐渗片段对纤维产量及品质效应明显。

                        (4)氨基酸是人类及动物重要的营养资源,浙江大学祝水金团队对棉子9个非必需氨基酸含量进行了定位,利用188个陆地棉RILs,永久F2(IF2)及正反回交群体BC1F1和BC2F1(BC),QTLNetwork?CL?20种子软件分析,从胚胎及母体植株基因型角度定位56个棉子9个非必需氨基酸含量的QTL,10个QTLs能在IF2及BC群体中检测到。遗传效应分析表明胚胎基因型比及母体植株基因型更重要。

                        5.5棉花芽黄、纤维品质性状基因的精细定位取得较大进展

                        (1)图位克隆在挖掘数量性状位点及重要农艺性状基因方面具有重要作用。传统的图位克隆有效,但费时费力。南京农业大学张天真团队通过改良的BSA法结合VIGS策略,快速及可靠的基因图谱,定位及功能验证。该方法用于陆地棉多隐性标记系T582芽黄基因v1,通过精细定位,编码Mg螯合酶亚单位GhCHLI基因与之有关,GhCHLIAAA+保守区域的定点突变导致了一个氨基酸的突变,通过VIGS技术在TM?1中抑制该基因的表达,叶片表现黄色。

                        (2)中国农业科学院棉花研究所喻树迅团队对芽黄基因v1进行精细定位,标记区间缩小到84.1kb区间内,含有10个候选基因,其中GhChlI基因编码Mg螯合酶亚单位(CHLI),GhChlI基因沉默,表现芽黄。

                        (3)江苏农科院沈新莲团队对chr1上纤维长度的1个QTL(qFL?chr1),利用陆海渐渗近等基因系(NIILs)R01?40?08构建1672个BC4F2大群体,22个PCR标记用于基因分型,标记区间缩小到1.0cM,进一步利用亚群体,标记区间缩小到0.9cM,在2.38Mb区间内,海岛棉含有19个基因;其中2个候选基因(GOBAR07705基因,编码1?氨基环丙烷?1?羧酸合酶;GOBAR25992基因,编码氨基酸透性酶)的表达与纤维长度呈正相关。

                        (4)西南大学张正圣团队对棉花纤维强度的一个主效QTL(qFS07.1)进行了精细定位,利用了1518对SSR标记,筛选2484个F2单株的大群体,标记区间缩小到62.6kb,含有4个基因;RT?qPCR等分析表明,富含亮氨酸重复蛋白激(LRRRLK)基因可能与强度有关。

                        ?5.6随着棉花基因组测序的完成,在全基因组水平上(转录组)批量挖掘基因成为可能?

                        5.6.1纤维品质相关基因挖掘

                        中国农业科学院棉花研究所于霁雯团队利用两个纤维长度不同的陆海渐渗系,通过转录组测序及遗传、物理连锁图谱分析,获得1551个差异表达基因(DEGs),其中8个基因与4个纤维长度的QTL共定位,3个基因有关的4个SNP标记与纤维长度显著关联。中国农业科学院棉花研究所袁有禄团队利用两个纤维纤维品质突出的陆海渐渗系及其陆地棉轮回亲本,通过10 DPA及28 DPA的棉纤维转录组测序,获得1801个差异表达基因(DEGs),氧化还原过程中,2个过氧化物酶及4个类黄酮代谢通路相关基因可能与纤维发育及品质形成有关。中国农业科学院棉花研究所袁有禄团队与山西农业大学合作利用3个纤维强度不同的陆海渐渗系及其陆地棉轮回亲本(CCRI45),通过4个不同纤维发育时期的棉纤维转录组测序,获得2200个在高强度棉纤维中差异表达基因(DEGs),进一步研究表明3个基因MNS1、XLOC_029945(FLA8)、和XLOC_075372(snakin?1)可能与纤维强度的形成有关。
                        河南农业科学院经济作物研究所房卫平团队鉴定了雷蒙德棉、亚洲棉、陆地棉共23个全长纤维素合成酶D(CSLD)蛋白基因。?

                        5.6.2逆境相关基因的挖掘

                        中国农业科学院棉花研究所李付广团队在全基因组水平上挖掘亚洲棉、雷蒙德棉、陆地棉与逆境相关的21、20、和38个WOX基因??寺×死醋匝侵廾抻胨钏嵯喙氐暮颂翘宓鞍谆騁aRPL18,该基因在拟南芥中超量表达,黄萎病抗性显著提高。挖掘了陆地棉棉花ABA信号通路与渗透压有关的蔗糖非发酵?1相关蛋白激酶2(SnRK2)基因家族,鉴定了20个相关的序列,全部编码了亲水蛋白。明确了在甘露醇及盐胁迫下的拟南芥中,超量表达GaMYB85基因(一个R2R3 MYB基因),种子发芽率更高,耐旱性也增强了。与西北农林大学合作过量表达GhNAC79基因提高了棉花的抗旱性。中国农科院生物技术研究所张锐团队研究证明来自玉米的bZIP的转录因子ABP9转入棉花提高耐盐及抗旱性。

                        南京农业大学郭旺珍团队在全基因组水平上分别挖掘了雷蒙德棉、亚洲棉、陆地棉、海岛棉29、30、60、和56个赖氨酸序蛋白(LysM)基因,进一步克隆了其中的Lyp1,Lyk7和LysMe3等3个基因,在甲壳素信号、黄萎病菌侵染及其他逆境相关信号化合物刺激下,这些基因表达量显著提高。

                        山东农业大学沈法富团队在全基因组水平上挖掘了18个陆地棉过氧化物(SOD)酶基因,这些基因与抗逆有关。

                        ?5.6.3抗枯黄萎病基因挖掘

                        枯萎病严重影响棉花的产量,促分裂原活化的蛋白激酶(MAPK)级联在植物抗病性方面起了关键作用。山东农业大学郭兴启团队报导沉默GhMKK6基因降低了棉花对枯萎病的抗性;陆地棉miR5272a通过介导GhMKK6基因的转录实现棉花对枯萎病的免疫反应。

                        中国农业科学院植物?;に盼奈低哦油ü甲榧胺聪蛞糯Т蠊婺<寺降孛蘅够莆』?,获得了4794个差异表达基因(DEGs),通过VIGS技术,明确类受体蛋白激酶(RLKs)、WRKY转录因子及细胞色素P450(CYPs)—基因在防御反应中的重要作用;GhSKIP35、SKP1蛋白伴侣、泛素介导信号转入拟南芥中过量表达,提高了黄萎病抗性。

                        5.6.4种子品质相关基因挖掘

                        中国农业科学院棉花研究所于霁雯团队在全基因组水平上挖掘棉花溶血磷脂酸?;泼?LPAAT)基因家族,在陆地棉、海岛棉、雷蒙德棉、亚洲棉中分别鉴定13、10、8和9个基因,At?Gh13LPAAT5基因与种子油分及蛋白质含量显著相关。

                        硬脂酰??;靥宓鞍淄驯ズ兔?SAD,stearoyl?acyl carrier protein desaturase)基因,该基因的重要功能是将植物中的饱和脂肪酸转化为不饱和脂肪酸,南京农业大学郭旺珍团队鉴定了与棉子油有关的,分别从雷蒙德棉、亚洲棉、陆地棉、海岛棉获得9、9、18和19个SAD基因,GhSAD2和GhSAD4在花后20~35d的子房中特异表达,在高油与低油材料中具有不同的表达模式,该两个基因与棉子油生物合成有关,关联分析进一步确认了GhSAD4的重要性。

                        5.6.5棉花绿色纤维相关基因挖掘

                        中国农业科学院棉花研究所朱荷琴团队与石河子大学合作对天然绿色棉色素经分离鉴定为22.O—咖啡?;?22.羟基二十二酸单甘油酯及22.O—咖啡?;?22.羟基二十二酸单甘油酸,22.O咖啡?;?22.羟基二十二酸单甘油酯是使绿色棉纤维产生绿色的主要色素成分。陆地棉中含有4个CoA连接酶基因(Gh4CL1?Gh4CL4),为苯丙醇生物合成途径的关键酶,编码香豆酸。研究表明,Gh4CL2与咖啡酸残基代谢有关,在绿色纤维着色生物合成中起重要作用重要作用。

                        566棉花早熟性相关基因挖掘CONSTANS/FLOWERINGLOCUST(CO/FT)调控因子在光周期敏感植物的开花时间调控方面起重要作用,野生棉开花严格受光周期控制,但栽培种不敏感。石河子大学黄先忠团队挖掘了陆地棉开花相关的CON?STANS?like(COL)基因42个,克隆了14个GhCOL基因,转拟南芥研究表明GhCOL1?A和GhCOL1?D是重要的开花相关基因。

                        5.6.7棉花雄性不育性状相关基因挖掘

                        中国农业科学院棉花研究所邢朝柱团队利用哈克尼西胞质(CMS?D2)雄性不育系,保持系及恢复系开展全基因组转录分析,鉴定了1464个差异表达基因(DEGs)。

                        5.7棉花转基因利用新技术、新方法、新材料

                        (1)中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所崔海信团队与生物技术所张锐团队合作,通过利用磁性纳米粒子作为基因载体,创立了一种高通量、操作便捷和用途广泛的植物遗传转化新方法,推动纳米载体基因输送与遗传介导系统研究取得了重要进展,开辟了纳米生物技术研究的新方向。该方法基于磁性纳米颗?;蛟靥宓幕ǚ鄞抛参镆糯奘畏椒?,可以利用磁性纳米颗粒Fe3O4作为载体,在外加磁场介导下将外源基因输送至花粉内部,通过人工授粉利用自然生殖过程直接获得转化种子,然后再经过选育获得稳定遗传的转基因后代。该方法已证明适用于大多数作物。

                        (2)中国农业科学院植物?;ぱ芯克饪酌魍哦犹岢隽送ü鼴t与非Bt棉杂交利用杂种二代延缓红铃虫的抗性。

                        (3)华中农业大学张献龙团队提出了在棉花中表达脂肪酰辅酶A还原酶的同源双链RNA的抗中黑盲蝽的转基因棉花。

                        (4)中国农科院生物技术所张锐团队通过GR79EPSPS(抗草甘膦)和N?acetyltransferase(GAT)genes(N?乙?;泼?GAT))的共转化,培育了抗除草剂棉花,获得GGCO2和GGCO5两个系,其对草甘膦抗性提高了5倍,草甘膦的残留减少了10倍。

                        (5)中国科学院遗传与发育生物学研究所朱帧团队及南京农业大学张天真团队合作首次将Bt基因及RNAi结合,干涉保幼激素(JH),培育新型抗棉铃虫转基因棉花。

                        5.8构建了棉花目标基因突变的CRISPR/Cas9系统CRISPR/Cas9(clustered regularly inter?spaced short palindromic repeats)/Cas9

                        (1)+1华中农业大学张献龙团队针对陆地棉是异源四倍体,基因组结构复杂,多数基因具有多个拷贝,分属At和Dt亚组。利用CRISPR/Cas9系统构建了2个目的基因(DsRed2和GhCLA1)棉花单链向导RNA(sgRNAs),DsRed2的编辑植株T0绿色荧光信号消失,变为野生型,T1表现稳定;75%的GhCLA1编辑植株表现白化,存在明显的DNA片段删除。突变效率为66.7%~100%。研究证明了CRISPR/Cas9系统能高效应用于棉花基因组编辑。

                        (2)中国农科院棉花所叶武威团队构建了棉花目标基因突变的CRISPR/Cas9系统。其针对棉花Gh?CLA1及液泡H+-焦磷酸酶(GhVP)基因设计了2个单链向导RNA(sgRNAs)开展Cas9介导的异源四倍体棉花的基因编辑,突变效率为47.6%~81.8%。

                        (3)河南大学宋纯鹏团队发展了一套通过瞬时表达系统在棉花中鉴定单链向导RNA(sgRNAs)功能的快速、高效的方法。并对3个基因(GhPDS、GhCLA1及GhEF1)进行了验证,其突变效率最高可达64%,能同时获得GhPDS和GhEF1两个基因的突变位点,获得了GhPDS位点的片段删除?;竦昧薈RISPR/Cas9诱导的GhCLA1基因的棉花基因编辑突变体。

                        5.9棉花功能基因组平台初步建立

                        棉花是世界上重要的纤维及油料作物,随着棉花基因组测序的完成及海量组学数据的出现,因此,建立一个整合多个组学的棉花功能基因组数据库供大家快速及方便获取十分重要。中国农业科学院生物技术所张锐团队建立了棉花Cotton?FGD数据库(Cotton Functional Genomic Database,https://cottonfgd.org),包括基因组序列,基因结构和功能,遗传标记,转录组数据,包括四大棉种的群体重测序,为进一步基因挖掘及分子育种奠定了重要平台基础。 

                        来源:植物遗传资源学报 2018,19(3)

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