棉花纤维素生物合成的基因调控与高强纤维形成的分子遗传基础

Fiber strength has an important impact on yarn and cotton fabric quality. One set of chromosome segment introgression lines (CSILs) was developed, where TM-1, the genetic standard in G. hirsutum, was used as the recipient parent , while the long staple cotton G. barbadense Hai7124 as the donor parent. Among the CSILs, six CSILs with significant differences in fiber strength were detected under the diverse environments . Among the six CSILs, five CSILs have a significant higher fiber strength than TM-1, one lower. In this research, Next Generation Sequencing will be used to analysis the different expressed genes of cellulose biosynthesis in fiber secondary wall formation between CSILs with higher fiber strength and TM-1 in order to fine map by CSILs populations. Combined with QTLs map and association analysis, we will identify the candidate genes of fiber strength, explore the QTN and reveal the molecular genetic mechanism of fiber strength and regulation network. Through cloning and transgene, we aim to cultivate new germplasm of high-strength fiber and high yield and provide genetic resource for cotton molecular design breeding of high quality.

纤维强度是棉花重要的品质指标，对成纱和棉织品品质有重要影响。以TM-1做受体亲本，H7124做供体亲本，创建了一套染色体片段渐渗系（CSILs）。通过多年多点田间试验，筛选出6个与TM-1纤维强度存在显著差异的CSILs。其中，5个CSILs的纤维强度显著高于TM-1，1个显著低于TM-1。通过第二代测序技术，发掘高强纤维CSILs和TM-1在纤维次生壁加厚过程中纤维素生物合成的差异表达基因,进一步利用CSILs群体精细定位高强纤维表达基因；通过高强纤维基因的精细定位和QTLs遗传连锁图的定位结果整合与关联分析，预测鉴定高强纤维发育基因，发掘数量性状核苷酸位点（QTN），揭示棉花高强纤维形成的分子遗传机理与表达调控网络。克隆出4-5个有重要利用价值的基因，通过转基因功能验证，最终培育出高强纤维、高产的陆地棉新种质,为优质棉花新品种的分子设计育种提供基因资源。

纤维强度是棉花重要的品质指标，对成纱和棉织品品质有重要影响。本项目利用6个与TM-1纤维强度存在显著差异的CSILs，开展棉花纤维素生物合成的基因调控与高强纤维形成的分子遗传基础研究。转录组比较分析初步揭示高强纤维发育形成的分子遗传机理和调控网络；组装出高质量异源四倍体栽培棉种陆地棉和海岛棉的基因组序列，在此基础上，从四倍体棉种中鉴定出的32个纤维素合酶家族及和纤维素合成代谢网络调控相关的其他基因。第一类包括21个纤维素合酶基因 (CESA1, 3, 6分支)，与棉纤维发育初生壁相关，另一类包括11个纤维素合酶基因 (CESA4, 7, 8分支)，与棉纤维发育次生壁相关。利用大群体精细定位高强纤维QTL，结合转录组数据比较，克隆出6个重要纤维素生物合成的相关基因, 为优质棉花新品种的分子设计育种提供基因资源。在以高品质棉著称的美国爱字棉品种PREMA中精细定位、克隆到一个纤维强度主效QTL（qFSD03），编码泛素相关蛋白基因UBX。品种群体的关联分析和转基因研究均表明GhUBX 6bp重复结构变异与纤维强度相关。研究发现蔗糖分子采用共质体途径，即通过胞间连丝进入纤维细胞；而在次生壁加厚期则通过质外体途径，即借助蔗糖运输蛋白进入纤维细胞。长绒棉的GbSCP2D和GbPdBG3-2A/D的表达时期延长，从而导致胞间连丝的开放时间延长，导致海岛棉的纤维长。首次图位克隆出光子突变基因N1，编码MYBMIXTA类转录因子，揭示了棉花纤维起始发育的转录调控网络和叶表皮毛的不同。提出利用CSILs的MAS设计育种体系，培育出“新陆早45”棉花新品种。