棉属异源四倍体物种形成及基因组进化研究

棉属异源四倍体种的供体种问题一直是棉属起源和进化争论的热点。棉属异源多倍体也一直是研究多倍体中重复基因和重复基因组进化的良好材料，为了进一步探讨异源四倍体棉种的起源和基因组进化机理，本研究模拟自然界异源四倍体棉种形成过程，将棉属异源四倍体棉种可能的A、D染色体组供体种，二倍体棉种草棉、亚洲棉和雷蒙地氏棉进行远缘杂交，然后将杂种F1（AD）进行染色体加倍人工合成异源四倍体棉种（AADD），并和自然界已有的异源四倍体栽培种陆地棉、野生种黄褐棉进行形态学、细胞遗传学和基因组学比较研究（SSR或SNP），探索物种起源过程中的遗传变化规律和新物种形成后存活、进化和基因组互作机理。重点研究杂交加倍后导致的染色体重排和物种生态分化即选择在物种形成和进化中的作用，从而为四倍体棉种的基因组来源和组成提供最直观的证据，也为异源四倍体棉种基因组进化提供理论依据。

本研究以棉属A基因组亚洲棉和草棉为母本，以D组雷蒙德氏棉和瑟伯氏棉等为父本进行远缘杂交，成功获得草雷、亚雷、亚瑟等不育杂种F1，并对这些杂种进行了形态学鉴定，从植株、叶片、花等同龄器官和父母本分别作了比较，杂种植株大部分性状介于双亲之间，有较强生长势。同时从细胞学水平探讨了杂种的不育行为，显微观察结果显示草雷杂种花粉母细胞减数分裂后期出现许多异常行为如多分体和微核,最终导致许多异常花粉粒的出现，正常花粉粒所占比例仅为58.38%。选取9对SSR引物对三株草雷杂种进行了分子鉴定，5对引物在杂种中正好扩增出父母本的特征带，4对引物除了父母本带还扩增出了杂种本身的特征带，研究从分子水平上证明了三株杂种的真实性。对远缘杂种嫁接苗采用0.5%秋水仙碱溶液浸泡24h，得到的草雷诱变枝条能结铃，但没有得到饱满种子，表明诱变株育性有恢复趋势。本研究也进行了草棉和亚洲棉同源四倍体诱变研究探索，结果表明最佳诱变参数为：用0.2%秋水仙碱处理幼苗茎尖生长点24 h，诱变率最高，为16.67%。得到的诱变株和对照株比较，对照株叶形指数（长/宽）为0.81，变异株叶形指数为0.72，较对照减小11.11%。本研究还进行了棉属其他远缘杂交研究，得到了陆地棉和斯特提棉种间杂种，并对其进行秋水仙碱多倍体诱变，得出最佳诱变参数：浓度为0.2%，时间24 h，存活率达55%，诱变率5%。细胞学观察表明诱变株频率为17.4%的花粉母细胞减数分裂恢复正常，且正常花粉粒比例较对照株提高了6.66%，表明诱变株的育性有恢复的趋势。本研究首次获得了草雷等AD远缘杂种及其多倍体植株，这些远缘杂种为棉花遗传进化研究和种质创新提供了有价值的材料。