摘要
棉花（Gossypiumspp.）作为一种重要的经济作物，为人们日常生活提供天然纤维、食用油和蛋白质。目前生产中主要栽培的是两个异源四倍体棉种：陆地棉和海岛棉。在植株形态建成方面，海岛棉的植株高度普遍高于陆地棉，但是相关的遗传分子机制还不清楚。本研究从陆地棉鄂棉22和海岛棉3-79的染色体片段置换系（CSSLs）入手，结合连锁分析和海陆种间置换系导入片段分析，在A05染色体上定位到一个调控棉花株高的QTL位点qPH5。进一步利用连锁分析与图位克隆的方法，成功克隆了一个控制海岛棉株高的基因GbPH5（PlantHeightonchromosomeA05），并初步解析了其调控棉花株高的分子机制。主要的研究结果如下： 1.株高位点qPH5初定位于27kb区间 利用连锁分析结合海陆种间置换系导入片段分析的方法，初步定位控制株高的位点qPH5。利用矮株陆地棉亲本鄂棉22和高株海陆种间置换系BS37分别构建了包含253个单株和1197个单株的F2分离群体，将调控株高的位点qPH5初定位于A05染色体上63kb的区间。从实验室构建的海陆种间CSSLs群体中筛选到9个家系，它们在A05染色体上均导入海岛棉3-79染色体片段，并且表现出明显的株高差异。结合9个CSSLs的导入片段和株高表型数据，将调控株高的QTL位点初步定位于A05染色体上324kb的区间。结合两个定位区间，将调控株高的位点锁定于A05染色体上27kb的区间。 2.株高位点qPH5编码一个果胶甲酯酶基因 为了进一步缩小定位区间。对1197个单株的F2分离群体进行重组单株分析，将调控株高的位点定位于A05染色体上20kb的区间内。此区间在海岛棉3-79基因组上包含一个候选基因：Gbar_A05G014020。此基因编码一个果胶甲酯酶，将其命名为GbPH5。通过序列比对分析发现，在陆地棉鄂棉22和置换系BS37中，PH5基因在编码区+130bp的位置有一个非同义突变的SNP（Emian22-A，BS37-T）。 3.PH5基因调控棉花株高 我们分别利用VIGS干涉实验、CRISPR基因敲除实验和超表达遗传互补实验进行PH5基因的功能验证。VIGS实验初步证明，在置换系BS37和海岛棉3-79中降低PH5基因的表达可以降低株高，但是在陆地棉鄂棉22中降低PH5基因的表达不能改变陆地棉鄂棉22的株高。CRISPR基因敲除实验进一步验证了PH5基因的功能缺失不影响陆地棉的株高变化。超表达实验表明，超表达PH5BS37-T基因型可以提高陆地棉Jin668的株高，超表达PH5Emian22-A基因型不能改变陆地棉Jin668的株高。以上实验表明Gbar_A05G014020就是控制株高的基因，并且PH5基因编码区的SNP变异是引起置换系BS37株高增高的关键变异位点。 4.BR代谢路径基因参与到棉花矮化形态建成 在超表达PH5BS37-T基因型的T0代转基因材料中，同时出现了极端矮化并且不育的株系。结合转录组、代谢组和VIGS基因干涉实验，我们初步发现降低油菜素内酯路径基因Ghd11和GhCes9的表达可以同时降低陆地棉和海岛棉的株高。 5.PH5基因经历了驯化选择 通过对已经公布的391份陆地棉材料和712份海岛棉材料的基因组重测序数据进行分析发现，PH5基因位于A05染色体上3Mb的驯化选择区间。根据PH5基因变异位点进行单倍型分析，99%的陆地棉品种为Hap3，海岛栽培种有Hap1和Hap3两种单倍型。海岛棉栽培种Hap3单倍型来源于陆地棉的种间渗透，并且随着海岛棉的驯化，Hap3在海岛棉中的比例逐渐升高，同时Hap3的海岛棉株高比 Hap1的株高显著降低。 综上所述，PH5基因编码区的SNP变异导致了陆地棉和海岛棉的株高差异，PH5基因的克隆不仅部分解析了海岛棉和陆地棉株高调控的分子机理，同时揭示了在海岛棉驯化改良过程中，陆地棉基因的渗入为海岛棉株高的降低提供了重要的基因资源，这为棉花的矮化育种提供了理论参考。
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