基于异附加系的异常棉和陆地棉重组频率的遗传特征解析

It is an effective way for the cotton genetic improvement by introgression of the fine genes from wild cotton to the upland cotton with relatively narrow genetic basis, but there is serious recombination suppression between wild cotton and upland cotton, which makes the application of wild cotton very limited. In the previous study, serious recombination suppression was generally observed on 13 chromosomes by genome-wide screening of segregation population for detecting the distribution and frequency of recombination between a diploid wild species Gossypium anomalum and a tetraplod cultivated species G. hirsutum L. (upland cotton). However, two recombination hotspot intervals were observed on chromosome 1 and chromosome 2 and the number of recombination events on chromosome 11 was more frequent. The purpose of this project is to identify the distribution, frequency and hotspot of the recombination events between G. anomalum and G. hirsutum L., using F2 populations derived from the alien addition lines with chromosome 1, 2 and 11, respectively. To get a broader view on the genetic characteristics of the recombination frequency between G. anomalum and G. hirsutum L., the DNA sequence of the recombinant region will be obtained by re-sequencing, and the correlation between the recombination frequency and the DNA sequence characteristics of the recombinant region will be clarified. Furthermore, candidate genes related to the recombination frequency will be identified by RNA-seq. These results will provide theoretical basis and technical support for the further application of wild Gossypium species in genetic improvement of upland cotton.

将野生棉优良基因渐渗到遗传基础相对狭窄的陆地棉中是棉花遗传改良行之有效的方法，但是野生棉和陆地棉间存在严重的重组抑制问题，使野生棉的应用十分有限。前期工作中，利用二倍体野生种异常棉和陆地棉构建的分离群体在全基因组范围检测了异常棉和陆地棉间重组分布与频率，结果发现13条染色体大部分区域重组抑制严重，但在1、2号染色体各发现1个重组热点区，在11号染色体上重组发生次数较多。本项目拟利用附加异常棉1、2和11号染色体的陆地棉异附加系材料构建F2群体，鉴定异常棉和陆地棉基因组间重组事件的分布、频率以及重组热点位置。为初步阐明异常棉和陆地棉种间重组频率的遗传特征，一方面通过重测序获得重组区DNA序列，明确重组频率与重组区DNA序列特征的相关性，另一方面结合转录组测序信息筛选与重组频率相关的候选基因。该项目的完成将为棉属野生种在陆地棉遗传改良中的深入应用提供理论基础与技术支撑。

野生种质资源蕴含了丰富的遗传变异，是作物遗传改良的物质基础。将野生棉优良基因渐渗到遗传基础相对狭窄的陆地棉中是棉花遗传改良行之有效的方法，但是野生棉和陆地棉间存在严重的重组抑制问题，使野生棉的应用十分有限。前期工作中，我们利用二倍体野生种异常棉和四倍体栽培种陆地棉构建的BC2F1群体在全基因组范围检测了异常棉与陆地棉基因组间重组的分布与频率，结果发现，13条染色体大部分区域重组抑制严重，但在1号和2号染色体各发现1个重组热点区，其中在1号染染色体约12.9 Mb的重组热点标记区间JAAS1148-NAU5100检测到45次重组事件，重组率比基因组平均重组率高7.36倍，在2号染色体约1.6 Mb的标记区间NAU998-NBRI0092内检测到60次重组事件，重组率比基因组平均重组率高19.72倍。本研究为获得重组热点的准确位置，首先对异常棉基因组进行了高质量的测序组装，对异常棉基因组进行了深度为63X的三代测序，最终组装了1,198,670,087 bp的基因组，挂载到13条染色体水平，挂载率达99.19%。随后根据异常棉基因组数据开发SSR标记，以异常棉和陆地棉构建的BC2F1群体为材料，对1号和2号染色体重组热点进行精细定位，将区间分别缩小到57 kb和37 kb，并获得重组热点区核苷酸序列全长。为了进一步阐明重组热点发生的可能机理，将获得的重组热点区核苷酸序列进行特征分析及候选基因鉴定。鉴定到两个功能明确的候选基因，分别编码ABC转运蛋白和ULT1蛋白，均与花器官的生长发育密切相关。另外发现，与重组抑制区相比，重组热点区的GC含量和基因密度较低，但SNP和INDEL密度则较高。该项目的完成将为棉属野生种在陆地棉遗传改良中的深入应用提供理论与技术基础。