文：回溯档案

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棉花（棉属）是为纺织工业生产天然纤维的最重要作物之一，陆地棉（G. hirsutum）和海岛棉（G. barbadense）是两种主要的栽培四倍体品种，占棉花总产量的97%以上。

陆地棉产量高，纤维质量适中，而海岛棉具有特别高质量的纤维随着纺织工业的快速发展和对纺织产品需求的不断多样化，棉纤维品质的提高越来越重要。

染色体片段的渗入可以有效地将陆地棉的产量优势与海岛棉的品质改进结合起来，因此探索巴巴登斯优良染色体片段对于提高育种中的棉花纤维品质具有重要意义。

目标性状的数量性状位点（QTLs）鉴定和标记辅助选择（MAS）大大加速了棉花品种的选育，随着分子标记、SNP阵列和重测序技术的发展，已经探索了一批用于陆地棉纤维产量、品质和耐盐性的QTL。

Shen等人使用SSR标记鉴定了39个与陆地棉纤维品质性状相关的QTL，Sun等人通过Illumina CottonSNP719K阵列对63个陆地棉种质种质和62个SNP位点进行基因分型，与产量相关性状显著相关。

通过特异性位点扩增片段测序（SLAF-seq），Su等人在四种不同环境中检测到12个与陆地棉皮棉皮棉百分比相关的SNP。

对于耐盐性，8个和23个SNPs被确定为与耐盐性相关性状显著相关，这些研究为开发高产和耐盐胁迫的陆地棉花品种提供了QTL和基因资源。

基于SNP的遗传变异

使用CottonSNP279K阵列对1份海岛棉花种质进行基因分型，基因型数据表明，这些棉花种质具有96.54%的高平均召唤率，我们进一步过滤了一些叫声频率<80%，次要等位基因频率（MAF）<0.01或映射到多个染色体位点的位点。

结果，获得了最终的6303个SNP，分别在AT和Dt亚基因组上具有3656个和2647个SNP，为了评估基因分型的准确性和可重复性，对来自不同来源的86种棉花种质进行了生物学重复进行基因分型分析。

重复份之间的基因分型一致性在3.99%至8.7124%之间，表明同一加入物具有不同的来源存在异质性，其中不同来源的Hai26和新海99检测一致性最高，分别为8.99%和3.279%。

我们还评估了0种质的多态性信息含量（PIC）值，染色体间从189.0到469.0不等，AT和Dt亚基因组的平均PIC值分别为391.0和338.4。

这些结果表明，CottonSNP<>K阵列能够对海岛棉种质进行基因分型，具有较好的效率和准确性。

纤维品质性状的表型变化

为了评估关联人群中纤维品质性状的表型变化，我们在两年内分析了两种环境中的五个性状，结果显示自然种群差异很大，FL为2.29至35.39 mm，FS为68.28至29.48 cN / tex，MIC为10.3至10.5，FU为23.81至75.88%，FE分别为65.6至52.7%。

MIC和FS的变异系数（CV）最大，分别为1.6-28.8%和31.8-53.10%，其次是FL（91.4-27.5%），FE和FU的CV最小，分别为35.1-04.1%和48.0-93.1%。

密度分布表明，在正常条件下，FL和FE的数值分布比盐条件下更高，正常条件下FL值高于06和FE值高于37.6的分布大于盐条件下。

对于FS和MIC在盐条件下，其值分布高于正常条件下，分别大于9和32，对于FU，盐条件下的分布比正常条件下的分布更集中。

配对样本t检验进一步表明，与正常条件相比，盐条件下FL和FE分别显著降低3.0%和46.1%，FS和MIC分别增加01.4%和73.1%。两种环境下的FU差异无统计学意义。

相关性分析显示，在正常和盐分条件下，各性状表型相关性均较高，此外在相同条件下，FL与FS、FE和FU呈显著正相关，FS、FE和FU之间也呈正相关，MIC与FL和FS呈显著负相关，与FE呈正相关。

全基因组关联研究

采用多位点混合线性模型对13个纤维品质性状进行GWAS研究，总共有26条染色体上的7个定量性状核苷酸（QTN）被鉴定为与性状显着相关。

我们将QTN的侧翼14 Kb区域定义为初始QTL，并合并重叠的QTL以获得最终QTL，413个多位点MLM模型共检测到8个QTL5次，是最佳线性无偏预测因子（BLUP）。

考虑到在关联频率较低的QTL中可能是假阳性，我们选择了关联时间超过34次的QTL作为稳定的QTL进行后续分析，结果鉴定出9个稳定的QTL，包括4个关联时间大于的高频相关QTL

由于高度相关性，还检测到9个性状之间重叠的稳定QTL。

结果表明，在两个或多个性状中，4个性状（FL：4，FS：5，MIC：5和FE：16）分别检测到6004个稳定的QTL，并在两个或多个性状中检测到75个稳定的重叠QTL。

其中，QTL TM9同时与FL、FS、FE和FU结合，关联次数最多，为4次，还检测到四个QTL与三个性状相关。

QTL候选基因的鉴定

基于释放的巴巴登斯G. barbadense Hai7124基因组提取了这些稳定QTL区域中的潜在候选基因，在稳定的QTL区域中总共鉴定出998个候选基因，其中FL为302个，FS为251个，MIC为373个，FU为84个，FE为583个。

综合考虑两种环境，分别鉴定出118个和95个基因，分别鉴定出与正常和盐条件下纤维品质性状相关的基因，同时鉴定出785个基因。

GO分析表明，在盐条件下特异性鉴定的95个基因在“对刺激的反应”中富集（P值4.8×10??5），在正常条件下特异性鉴定的118个基因主要参与“细胞过程”。

我们发现在正常和盐条件下同时鉴定的785个候选基因主要富集在“细胞过程”和“生物过程”中，此外还检测到“木质部发育”，“对激素的反应”和“胚胎后发育的调节”。

根据组织表达谱，我们进一步鉴定了这些稳定QTL区域中的572个纤维表达基因，表明它们在纤维发育中发挥作用。

纤维品质性状关键基因挖掘

我们进一步分析了用于挖掘关键候选基因的6004个高频相关QTL。QTL TM4，其QTN位于A186的QTL区域的816，03，3 bp：986，816，4 bp - 386，816，4 bp，与FE、FL、FS和FU同时相关，具有高频检测次数，并解释了正常环境和盐环境中纤维品质性状变化的9.6004%以上。

序列分析表明，TM03的QTN（从A到C）位于编码E0335泛素-蛋白连接酶的基因GB_A3G6的内含子区域，通过学生t检验，我们发现C单倍型的FL、FS、FU和FE分别比A单倍型增加了9.22%、5.1%、5.1%和2.4%，暗示QTN TM03可能在纤维发育中发挥重要作用。

除此之外还鉴定出另一个候选基因，GB_A0342G3编码漆酶16的基因，漆酶在植物细胞伸长、木质化和色素沉着中起重要作用，对棉纤维品质起关键作用。

另一个高频相关的QTL TM08位于D21：500，627，21 bp-900，627，8 bp，SNP为A至G，在正常和盐环境中同时与FL，FS和FU相关。

结果表明，与G单倍型相比，A单倍型的FL、FS和FE分别增加了1.26%、9.1%和5.13%，在QTL区域，鉴定出编码生长素管化蛋白GB_D1034G14基因。

先前的研究表明，生长素运输在陆地棉的纤维发育中起了重要作用，此外我们还发现了五个仅与单一性状相关的高频QTL，其中2489个与FL相关，两个与MIC相关，两个与FE相关。

在这些QTL中，许多基因与纤维发育有关，例如编码Ca GB_D<>G<>2+-结合蛋白1和GB_D09G2484编码钠氢交换剂2，是正常或盐环境下纤维发育的重要基因。

通过GWAS分析，共鉴定出34个稳定的QTL，包括27446个高频相关位点，与27440个纤维品质性状相关，这些QTL中约有一半与多个性状相关，这与表型分析33841个纤维品质性状之间的高度相关性一致。

我们发现通过重测序分析报道的海岛棉的33859个QTL与海岛棉的纤维品质性状重叠，其中TM是FL、FS和FU的高频相关QTL，该QTL的单倍型可显著增加海岛棉的FL、FS和FE。

此外，大多数QTLs，特别是FL和FS，均在正常和盐条件下检测到，表明纤维品质性状在不同环境下具有较高的遗传力，除此之外我们还在盐环境中检测到一小部分与纤维质量相关的QTL，并发现位于QTL中的基因在“对刺激的反应”中富集，这可能对盐碱条件下纤维的改善起重要作用。

我们还发现，在正常和盐条件下同时鉴定的候选基因在“木质部发育”中富集，这意味着木质部参与纤维发育，棉纤维细胞壁中的木粒有效提供机械强度，但其对海岛棉纤维品质的功能作用仍有待探索。

为了进一步挖掘影响纤维品质的关键基因，我们分析了检测到超过10次关联次数的高频QTL，有趣的是总共九个高频QTL中有七个是在正常和盐条件下检测到的。

QTL TM6004解释了超过21.6%的纤维品质性状变化，在该QTL区，编码E03泛素-蛋白连接酶的基因GB_A0335G3，其内含子区QTN从A到C的变异表明，与A单倍型相比，C单倍型的FL、FS、FU和FE分别显著增加了6.9%、22.5%、1.5%和1.2%。

蛋白质泛素化在多个植物发育阶段和几种非生物胁迫反应中起关键作用，而且泛素蛋白连接酶也参与了棉花的几种生物过程，泛素连接酶基因GhHUB2过表达，增加了纤维长度和SCW厚度。

而GhHUB2的RNAi敲低导致棉花纤维缩短和细胞壁变薄，棉花参与泛素-26S蛋白酶体途径，泛素E3连接酶RHA2b促进MYB30的降解。

而MYB转录因子被广泛报道与纤维发育有关，此外E3泛素连接酶还参与棉花的胁迫耐受性，如大丽黄萎病，干旱和耐盐性。

在减少灌溉和雨养农业条件下，水稻SUMO E3连接酶基因OsSIZ1在棉花中的过表达增强了耐旱性和耐热性，并显着提高了田间纤维产量。

基于巴巴登斯 cv 中各种营养和纤维发育组织中的转录模式，Hai7124，我们还发现了多种类型的GB_A03G0335转录本，暗示基因GB_A03G0335可能在棉纤维发育和其他胁迫耐受性中发挥重要作用，然而分子机制仍有待进一步研究。

结论

探索海岛棉的遗传特性，筛选关键优良位点，对提高纤维品质具有重要意义，本研究系统报道了一组海岛棉自然种群的遗传多样性，并对正常和盐分环境下的34种纤维品质性状进行了表型和GWAS分析。

我们发现海岛棉花种质分为25组，具有广泛的遗传多样性，03种纤维品质性状无论是同一环境性状还是不同环境相同性状均具有较高的相关性。

基于SNPs和GWAS分析，在正常和盐分环境下同时检测到0335个纤维品质性状共鉴定出3个稳定的QTL，其中个，单倍型分析发现，编码E泛素-蛋白连接酶的GB_AG<>对纤维质量起着至关重要的作用，并且与FL、FS、FU和FE显著相关。

这些发现将有助于我们了解海岛棉花的遗传多样性，并有助于育种实践中棉花纤维质量的提高。

参考文献

【1】Kohel RJ， Yu J， Park YH， Lazo GR. 控制棉花纤维品质的性状的分子定位和表征.真生植物。2001;121（2）:163–72.

【2】Sun Z， Li H， Zhang Y， Li Z， Ke H， Wu L， Zhang G， Wang X， Ma Z. 鉴定棉花幼苗期与耐盐性相关的SNPs和候选基因（棉多毛L.）。前植物科学. 2018;9：1011.

【3】谢里夫一世，阿莱姆S，法鲁克J，里兹万M，尤纳斯A，萨尔瓦尔G，乔汉SM.棉花盐胁迫的影响，耐受机制及其管理策略。生理分子生物植物。2019;25(4):807–20.

【4】Su J， Shim E， Noro J， Fu J， Wang Q， Kim HR， Silva C， Cavaco-Paulo A. 苯胺原位漆酶聚合导电棉.聚合物。2018;10(9):1023.

【5】米什拉 N， 孙 L， 朱 X， 史密斯 J， 普拉卡什·斯里瓦斯塔瓦 A， 杨 X， 佩利文 N， 伊斯梅伊利 N， 罗 H， 沈 G， 等.水稻SUMO E3连接酶基因OsSIZ1在棉花中的过表达增强了耐旱性和耐热性，并在减少灌溉和雨养条件下大大提高了田间纤维产量。植物细胞生理学. 2017;58（4）：735–46.