棉属异源六倍体后代性状鉴定及干旱胁迫的转录组学解析

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中文摘要：棉花远缘杂交是种质创新和新品种选育的重要途径。野生种具有许多栽培棉所没有的优良性状，将野生棉的优良性状导入陆地棉中，培育具有抗逆性的优良品种，能有效拓宽棉花的种质资源。本研究以实验室前期合成的陆地棉与野生斯特提棉远缘杂种F1为材料，对其进行形态学、细胞遗传学以及SSR分子标记鉴定之后对得到的杂种F1进行了多倍体诱变获得新的异源六倍体新种质M1(AADDCC)，并将M1代种子种植。经过棉花正常的生长发育现蕾、开花和结铃后收获M2代种子，然后进行后代性状鉴定和遗传解析。本研究分别对杂种F1和异源六倍体M1、M2进行了形态及气孔相关性状、花粉母细胞减数分裂和花粉粒形态等方面的比较鉴定，通过比较鉴定验证异源六倍体种质的真实性，进一步探讨杂种F1育性的恢复。最后以六倍体棉花种质M1为材料，选取材料置于干旱胁迫条件处理，以正常处理作对照，一段时间后分别选取幼嫩叶片为材料进行转录组分析，旨在对异源六倍体新种质旱胁迫前后的差异表达基因进行比对分析并筛选抗旱相关表达基因。主要研究结果如下： 1.以实验室前期合成的陆地棉与野生斯特提棉远缘杂种F1为材料，对其进行形态学、细胞遗传学以及SSR分子标记鉴定。形态学分别从植株、叶片和花三方面进行双亲和杂种的分析比较，结果表明杂种植株高于双亲，叶片大于双亲，表现出显著的杂种优势；叶色与父本相近，为翠绿色，杂种花基部花斑与父本相近，为深红色；细胞遗传学上对杂种进行了花粉母细胞减数分裂观察，结果表明不育杂种F1在减数分裂过程中出现许多异常行为，其中二分体占24.00%，三分体占10.40%，四分体占40.60%，多分体占25.00%。在四分体中，正常四分体占72.91%，异常占27.09%，以至于最后形成很多异常花粉粒，所占比例为24.00%，正常花粉粒占76.00%，这是杂种F1不育的主要原因；最后通过SSR分子标记鉴定研究表明，杂种F1不但出现了陆地棉和斯特提棉的互补带，而且扩增出其特异性条带，遗传成分占比分别为：父本占7.69%，母本占34.62%，双亲的互补带占23.07%，特异性新带占34.62%，既表明在杂交过程中发生了基因重组，也从分子水平证实了该杂种F1是陆地棉和斯特提棉的真杂种，同时为棉花遗传育种和种质创新提供了有价值的材料。 2.通过对陆地棉和斯特提棉杂种F1和异源六倍体M1、M2进行形态和细胞学性状鉴定发现：异源六倍体的叶片和杂种存在差异，除此之外，细胞学方面、叶面积、叶形指数、叶绿素含量都存在显著的差异。通过对棉花叶片下表皮气孔进行性状鉴定发现，异源六倍体M1、M2与杂种F1相比，叶片气孔密度下降、保卫细胞长度和叶绿体数目增加，这一结果证实了异源六倍体的真实性。在形态学方面，异源六倍体M1和M2代相比，叶片相关性状差异不大，表明六倍体生理性状已逐渐稳定；细胞学上通过统计减数分裂时期四分体正异常比例和形成正常花粉粒比例，得到杂种减数分裂时期正常四分体比例为72.91%，M1代正常四分体比例为87.00％，M2代为93.47％，证明减数分裂行为已经趋于正常，初步判断杂种育性已经恢复并在M2代趋于稳定。 3.通过转录组测序，对异源六倍体叶片在干旱逆境前后差异基因的表达情况进行分析，深度挖掘发现基因表达存在显著差异，通过DEGS分析得出，基因表达量增加的有2302个，下降的有2681个。采用GO富集分析，发现差异表达基因主要富集在分子功能、细胞组分和生物过程三个方面，主要注释到转录调控DNA模板、细胞大分子生物合成的调控、氧化还原过程、氧化还原酶活性、单氧酶活动、铁离子结合和生长素的响应等途径。通过KEGG富集分析发现功能注释到植物激素信号转导、植物MAPK信号通路、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、淀粉和蔗糖的代谢等方面，说明棉花的正常生长、生理调控和抗旱性与这些代谢途径相关。为了深入研究棉花抵御干旱胁迫抗逆机制，对差异基因进行功能注释和富集分析，筛选与抗旱相关的候选基因，结果表明这些基因与能量代谢、核酸代谢、脂类代谢、碳水化合物代谢、信号转导、激素合成及光合作用等代谢过程相关，初步表明这些途径与棉花抗旱相关性较大。

作者：

赵祝跃

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关键词：

斯特提棉远缘杂种异源六倍体性状鉴定转录组学分析

授予学位：

硕士

学科专业：

作物学

导师：

吴玉香

学位年度：

2021

学位授予单位：

山西农业大学

语种：

中文

中图分类号：