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书名：棉花纤维发育生物学
定价：280.0
ISBN：9787030450999
作者：喻树迅，朱玉贤，陈晓亚
版次：1
出版时间：2016-09
内容提要：
本书内容包括棉花的起源与进化，棉花纤维基因资源的创制、挖掘与利用及遗传连锁图谱的构建；棉花基因组学、棉花纤维转录组学和蛋白质组学研究进展；棉花纤维发育相关基因、启动子的克隆与功能验证及转基因优质材料创制；棉花纤维品质和产量相关性状遗传分析方法研究及 QTL定位、棉花抗逆高产分子改良的遗传基础及优质高产多抗棉花新品种的分子改良。
目录：
目录
前言
**章 棉花纤维基因资源与创新1
**节 棉花起源与进化1
一、棉属的系统分类1
二倍体棉种的起源与进化5
三、四倍体棉种的起源与进化6
第二节 棉花纤维基因资源挖掘与创制14
一、棉花纤维基因资源创制14
二、棉花纤维基因资源挖掘与利用33
第三节 棉花遗传连锁图的构建50
一、遗传群体的构建50
二、分子标记的开发56
三、高密度连锁图的构建75
参考文献87
第二章 棉花基因组学研究90
**节 植物基因组学研究进展90
一、高通量DNA测序技术90
二、模式植物基因组研究进展96
三、重要农作物基因组学研究进展96
第二节 棉花D基因组（雷蒙德氏棉）研究113
一、测序、组装与注释113
二、古六倍体化事件和全基因组复制116
三、转座子扩增与简单序列重复118
四、纤维友育、棉酚生物合成相关基因分析118
第三节 棉花A基因组（亚洲棉）研究121
一、测序、组装与注释121
二、A基因组与D基因组比较分析123
三、重要农艺性状相关功能基因分析126
四、A基因组资源应用前景128
参考文献130
第三章 棉花纤维转录组学研究134
**节 转录组学研究技术135
棉花纤维发育生物学
一、功能基因组学核心技术135
二、基因芯片数据分析技术及相关资源137
三、基因表达系列分析技术138
四、转录组分析和RNASeq138
五、棉花cDNA减法技术140
第二节 乙烯与纤维发育141
一、棉花中参与乙烯合成基因的研究141
二、乙烯在棉花纤维伸长过程中起重要作用142
三、油菜素内酯对纤维细胞发育的影响及与乙烯的相互作用144
第三节 超长链脂肪酸与纤维发育147
一、超长链脂肪酸的合成途径及其调控机制研究147
二、植物体内超长链脂肪酸功能研究150
三、棉花纤维中超长链脂肪酸功能研究151
第四节 初生壁合成与纤维发育158
一、植物细胞壁的结构与核苷糖代谢158
二、棉花纤维中初生壁合成的研究162
第五节 次生壁加厚期转录组研究172
一、海陆F2群体次生壁加厚期转录组研究174
二、海陆BC1祥体次生壁加厚期转录组研究180
三、次生壁加厚期转录组基因挖掘与分析193
参考文献212
第四章 棉花纤维蛋白质组学研究216
**节 棉花纤维蛋白质组学研究新方法217
一、棉花纤维总蛋白的酚提取法217
二、棉花纤维总蛋白提取方法评价219
三、棉花纤维蛋白质组分析技术路线219
第二节 长纤维伸长期差异显示蛋白的鉴定与图谱构建221
一、长纤维伸长期蛋白质总量的动态变化222
二、长纤维伸长期蛋白质组的动态变化223
三、长纤维伸长期差异表达蛋白的质谱鉴定223
四、长纤维伸长过程中的活跃生化途径226
第三节 短纤维起始期差异显示蛋白的鉴定与图谱构建227
一、短纤维起始期蛋白质组的动态变化228
二、短纤维起始期差异表达蛋白的质谱鉴定230
三、短纤维起始期重要蛋白质的动态变化231
四、短纤维起始期的差异表达蛋白调控网络235
第四节 棉花纤维细胞差异显示磷酸化蛋白质的质谱鉴定236
一、棉花纤维伸长过程中差异显示蛋白的磷酸化修饰程度236
二维电泳凝胶中单个磷酸化蛋白质的质谱鉴定方法237
三、磷酸化肽段的预测及其磷酸化位点的质谱鉴定238
四、伸长期差异表达磷酸化蛋白质的功能分析242
第五节 蛋白质组学分析所揭示的棉花纤维伸长过程中活跃的蛋白质网络245
一、碳水化合物代谢相关的蛋白质网络246
二、蛋白质代谢相关的蛋白质网络248
三、细胞骨架和囊泡运输相关的蛋白质网络图248
四、渗透压调控相关的蛋白质网络250
参考文献251
第五章 棉花纤维基因克隆与功能验证255
**节 棉花纤维发育重要基因的克隆与功能验证255
一、转录因子对棉花纤维发育的调控255
二、植物激素对棉花纤维发育的调控262
三、功能基因对棉花纤维发育的调控265
四、相关基因的克隆与功能鉴定276
第二节 棉花纤维表达启动子的克隆和功能验证295
一、纤维表达启动子的研究意义和进展295
三、棉花源纤维优势表达启动子299
三、非棉花源种皮／纤维表达启动子306
四、棉花纤维特异／优势表达启动子研究的问题和展望310
第三节 转基因技术体系的改良及应用311
一、转基因技术体系的改良311
二、时空调控生长素合成基因增加棉花纤维数量316
三、转基因优质纤维材料的创制331
参考文献345
第六章 优质高产棉花新品种的分子改良355
**节 棉花纤维品质和产量性状的遗传分析方法355
一、基于混合线性模型的复合区间作图法355
二、基于MCIM的多变量QTL分析方法361
三、基于MCIM的种子性状QTL分析方法368
四、基于MCIM的关联分析方法372
五、基于MCIM的分析软件开发379
第二节 棉花纤维优质高产分子改良的遗传基础384
一、棉花纤维品质和产量相关性状的QTL定位384
二、棉花种子品质相关性状的QTL定位414
三、棉花纤维品质分子标记聚合选择422
第三节 棉花抗逆高产分子改良的遗传基础427
一、棉花抗衰老功能基因筛选428
二、棉花抗旱耐盐性状的遗传分析与基因克隆453
三、棉花抗黄萎病相关基因克隆与分析466
第四节优质高产多抗棉花新品种的分子改良481
一、陆海渐渗优质材料创制481
二、棉花抗旱耐盐新材料创制489
三、棉花光敏雄性不育系材料创制495
四、棉花抗早衰老材料创制500
五、棉花优质高产分子聚合新品种选育507
参考文献510
展望518
在线试读：
**章 棉花纤维基因资源与创新
棉花纤维是棉花经济价值*重要的部分，掌握棉花纤维资源数量的多少直接影响着棉花优质育种的广度和深度。棉花在长时期的进化规程中逐渐形成了以纤维为主要利用价值的现代栽培种，挖掘棉花中现有的优异纤维资源，或利用生物或物理化学诱变技术创造纤维资源是丰富和利用棉花纤维资源多样性的重要手段，对这些纤维基因的遗传定位在一定程度上加速了纤维优异基因聚合，为培育优质高产的棉花新品种提供了资源和技术支撑。
本章引证形态学、分子细胞生物学等多方面的证据介绍了棉属的分类、起源与进化，探讨了四倍体棉种的A、D亚基因组的起源。详细介绍了通过杂交回交结合系统选择、远缘杂交、物理化学诱变、基因工程等方法创造的纤维和产量新种质，及其对这些种质材料的分子鉴定。介绍了各类遗传群体的构建、分子标记的开发，以及棉花种间、种内遗传图谱的构建。
一、棉属的系统分类
（一）棉属分类
**节 棉花起源与进化
棉属（Gossypium）属于锦葵目(Malvales)，锦葵科(Malvaleae)，棉族(Gossypiceae)。棉属，共分为4个亚属，包括50多个种，其中二倍体棉种（2n=2x=26）有40多个，四倍体棉种（2n=4x=52）有5个(Fryxell，1992)。棉属植物广泛分布于全世界，种间形态特征和生长习性存在广泛的多样性，而早期的棉属植物分类研究，基本上依据棉属植物的形态特征和地理分布，不同的分类学家所偏重的形态特征不完全相同。
自从细胞学研究手段被广泛应用之后，棉属的分类得到关键性的突破。Nikolaj eva(1923)提出，亚洲棉和草棉的体细胞染色体数目为2n=26，陆地棉和海岛棉的染色体数目为2n=52。在棉属分类学中作出划时代贡献的当推美国的Beasley (1940; 1941)，他在总结前人己积累的棉属细胞遗传学知识的基础上结合他本人进行的大量的种间杂交研究成果，以杂种后代减数分裂时染色体的配对情况为依据，参照棉种的地理分布，提出了划分染色体组的细胞学分类原则，即凡种间染色体同源性较高的棉种归为同一染色体组，反之则列为不同的染色体组。二倍体棉种分为A、B、C、D、E、F、G和K等8个基因组( Beasley，1940; 1941; Endrizzi et al．，1985; Wendel et al．，2010)，其中A、B、E和F基因组代表亚洲-非洲棉；C、G和K基因组代表澳洲棉；D基因组代袁美洲棉；四倍体棉种被认为是A基因组和D基因组种间杂交产生的双二倍体种，将其定为AD基因组（图1-1）。
关于棉属起源的时间，已有大量文献对此进行了推测。棉属约在1250万年前从*近的亲属分开，与跨海洋传播有关(Johnson and Thein，1970; Edwards et al．，1974)。由于缺乏清晰的化石记录，重建棉属的系统发育的方法主要是通过分子数据，如叶绿体基因组(cpDNA)限制位点( Wendel and Albert，1992)、SS核糖体基因及其间隔区的DNA序列(Cronn et al．，1996)、叶绿体基因ndhF、5.8S基因及其侧翼内转录间隔区(ITS) (Seelanan et al．，1997)。利用这些基因序列获得的棉属系统发育关系大部分都与基因组名称和地理分布一致（图1-1、表1-1）。
（二）二倍体棉种的分类
澳洲棉种(Australian species):澳洲棉种（亚属Sturtia）包括C、G、K基因组，分别包含2种、3种和12种。DNA序列数据表明这3个基因组属于自然家系，与先前它们分别被分成Sturtia组（C基因组）、Hibiscoidea组（G基因组）和Grandicalyx组(K基因组)一致。这3个基因组的分类，仅对C基因组和G基因组研究得比较多，其分类学地位已经明确( Wendel and Albert，1992; Seelanan et al．，1997)。K基因组的棉种有不寻常的地理、形态和生态特征，具有适应干旱的综合性状，特别是具有多年生季节周期生长模式，它们的分类地位还没有确定( Wendel et al．，2010)。
非洲一亚洲棉种(African-Asian species):非洲一亚洲棉种包括14种。分布于棉属基因组的A、B、E、F基因组，具有丰富的物种多样性。A基因组包括Gossypium亚组的2个栽培种亚洲棉和草棉，B基因组包括Anomala亚组的3个非洲种异常棉、三叶棉、绿顶棉。三叉棉也可能属于B组。**一个F基因组种长萼棉，在细胞遗传学上有独特的特性( Phillips，1966)，在形态上与其他种相互分开，这可能是因为其比其他二倍体棉种更适应湿地环境。
美洲二倍体棉种(American diploid species)：美洲二倍体棉种为薪世界二倍体D基因组种，共13种，包括Houzingenia组（含亚组Houzingenia、Integrifolia、Caducibracteolata）和Erioxylum组（含亚组Erioxylum、Selera、Austroamericana）。其中，亚组Houzingenia包括瑟伯氏棉(D1)和三裂棉(D8)；亚组Integrifolia包括克劳茨基棉（D3-k）和戴维逊氏棉（D3-d）；亚组Caducibracteolata包括辣根棉(D2-1)、哈克尼西棉(D2-2)和特纳氏棉(D10)；亚组Erioxylum包括旱地棉(D4)、裂片棉(D7)、松散棉(D9)和施温迪茫棉(D11)；亚组Selera包括拟似棉(D6)；亚组Austroamericana包括雷蒙德氏棉(Ds) (Wendel and Cronn，2003)。
与澳洲棉和非洲，亚洲棉相比，美洲棉的分类和系统发生学方面得到了广泛的研究。尽管6个亚组间的系统进化关系证据不是十分充足( Wendel et al．，2010)，但13个D基因组种与6个亚组相对应被精细地分成家系，这与Fryxell (1992)长期按照形态已经得到酌系统发生关系并不十分一致。已有多个证据表明拟似棉是美洲棉，并作为亚组Selera的**代表种，与地理上隔离的亚组Austroamericana的**种雷蒙德氏棉的亲缘关系*近(Cronn et al．，2003)。
（三）基于叶绿体基因组的棉属系统发育分析
植物分子系统发育学研究主要基于植物的3个基因组，即核基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组。植物核基因组较为复杂，单拷贝或低拷贝的基因筛选较为困难，不易进行分析，而且测序进度比较缓慢，序列完全拼接困难，目前只有较少物种的核基因组得到发布，如水稻、高梁、黄瓜和拟南芥等，缺乏数据基础，使得基于此的大规模的植物系统发育分析相对滞后。植物线粒体基因组为300～600kb，但在不同的植物类群中变异很大，而且进化速率较慢，是叶绿体基因组进化速率的1/4，且线粒体基因组还存在分子内重组现象。植物叶绿体基因组作系统发育分析具有很多优点：**，叶绿体基因组是单拷贝的，且大多是母系遗传，不存在自由组合和连锁交换现象，独立进化；第二，叶绿体基因组结构相对简单，相对保守，不同物种叶绿体基因组之间具有一定的共线性；第三，叶绿体基因组长度仅为120～160kb，容易测序相分析；第四，叶绿体基因组进化速率适中，包含大量遗传信息，而且其中的编码区和非编码区由于进化速率的差异，可以分别适用于不同分类阶元的系统发育研究( Clegg et al．，1994)。
利用变异度高和进化速率快的序列区域，建立系统发育树(图1-2)，3种方法构建的ML、MP和NJ树拓扑结构基本一致，支持率也较高，较为可信。整个棉属分类与生物地理学十分吻合，一支为澳洲棉种，包括C组和G组棉；另一支为美洲棉种，包括D组和(AD)组四倍体棉种；而亚洲一非洲棉种位于两支之间，其中B组进入澳洲棉种分支，而A组、F组和E组进入美洲棉种分支。棉种聚合情况与传统分类基本一致，但G组的G]却与C组较近，符合“双系祖先”观点(Wendel and Cronn，2003)，即比克氏棉以斯特提棉的祖先种为母本，以澳洲棉和奈尔逊氏棉的祖先种为父本，经种间杂交而成，进化后代中斯特提棉的核基因组被删除。图1-2 基于10个高变异叶绿体序列的15个棉种系统发育树
基于叶绿体基因组的系统发育分析，将棉种较为准确的聚合分类，与传统分类基本一致，各个染色体组自我聚合成一支。基因组内棉种的亲缘关系*近，二倍体棉种，A组（Ai和A2）、B组（Bi和B3）、C组（C1和C1-。）、D组（Di、D5和D6）、E组(E1和E2)、F组(Fi)、G组（G，和G3）分别聚成一支；四倍体棉种大致分为3支(Flagel and Wendel，2010)，一支为(AD)1和(AD)3，一支为(AD)2和(AD)s，剩余的(AD)4自成一支。亲缘关系很近的四倍体棉种，叶绿体基因组相似度很高，所以(AD)2和(AD)s聚在一支可与其他三个棉种区别开来。
二、二倍体棉种的起源与进化
分属于8个基因组的二倍体棉种各染色体组间的演化关系是个很复杂的理论问题，有许多学者从不同方面进行过探讨。Phillips (1966)根据二倍体棉种种间杂种F，减数分裂过程中染色体的配对情况，提出分布于阿拉伯地区的E基因组可能是*原始的祖先种，因为E基因组和其他基因组杂交形成的杂种，其基因向源配对*低，出现*高频率的单价体；A、B基因组则是由同一祖先分化而来的。因为A、B基因组的种间杂种平均单价体频率为3；D基因组与C基因组的分化在A、B基因组之前，因为A、B与C、D两个基因组的种间杂种单价体频率为10～18。由于D基因组形成的杂种单价体频率又高于C基因组形成的杂种的单价体频率，所以D基因组应在C基因组之前先分化出来。按照棉花纤维发育生物学Phillips的观点，A、B基因组是由同一祖先进化而来的，在细胞学上等同于两个基因组；它们与D、E基因组杂交形成的杂交种单价体频率应该等同或相似，但他的实验结果显示A、B基因组与D、E基因组形成的杂种与单价体频率却相差较大。说明仅靠杂种单价体频率并不能阐明所有二倍体种间的演化规律。
有人通过种子蛋白质电泳分析发现雷蒙德氏棉、裂片棉、松散棉、旱地棉、拟似棉5个D基因组种有一特异的条带，而此带仅在B基因组内出现，E基因组未出现，随之把上述5种划分为Dβ组，其余为D。组。B基因组与其他各组的平均相关系数*高(F0.59)，并考虑到B基因组的大面积的地理分布，认为B基因组可能是*近的棉属祖先代表种。据此推断，Do组是由B基因组通过巴西至秘鲁，*后到达墨西哥中部衍生而形成的；而D。的形成则通过另一条途径，即B基因组通过加勒比海至墨西哥衍生成的。E基因组由B基因组向北衍生形成，A基因组和C基因组则是由B基因组向南和向东南衍生而形成。这样便形成了现今二倍体棉种的地理分布格局。聂汝芝和李懋学(1993)通过22个二倍体棉种的核型分析也认为，现有的二倍体棉种是B基因组*原始的祖先种所衍生的，而A、B、D、E基因组则是由B基因组向不同方向扩展而分化形成的。根据表型性关系的原理，估价了系统发育的性状，发现B基因组是所有基因组中*具同质性的，其组内种间平均相关系数*大，而且与A、E、D基因组呈显著相关，与其他基因组的平均相关系数*大，因而基因组可看成是棉属其他二倍体的某种原型。但Johnson和Thein( 1970)的蛋白质电泳发现，南非作为A基因组的起源中心更合理，因为它与B基因组的相关系数很低(r=0.15)，且A、B、Do组在3.5cm处共有一条特异的深带，此带除比克氏棉外，其他基因组的棉种缺失此带。这样A基因组的起源问题就陷入悖论状态。
根据单DNA含量分析，发现染色体*大核DNA含量*高的是分布于澳洲棉种的C基因组，DNA含量*低的是分布于美洲棉种的D基因组，据此提出D基因组是棉属中的原始类群，其他基因组是由D基因组中的重复序列扩增而形成的；然而仅根据DNA含量*少就认为是原始类群的观点似乎过于简单，因为根据已进行过详细分析和比较研究的一些高等植物的属，在属内二倍体种之间的进化趋势均伴随着DNA含量减少。此外，把D基因组作为*原始的种群，也与现今的观点相悖，通常以为，起源中心一般都是分化中心，而现今美洲棉种仅分布一个D基因组，而非洲棉种则有A、B、D、E和F共5个基因组。因此多数人认为非洲棉种是二倍体棉种的起源中心(宋国立，2007; Wendel et al．，2010)。
三、四倍体棉种的起源与进化
（一）应用荧光原位杂交技术研究四倍体棉花的起源
目前荧光原位杂交( FISH)技术广泛应用于棉花基因组中单拷贝DNA序列、DNA重复序列、多拷贝基因家族的染色体定位，且可定位遗传图到特定的染色体或染色体臂上，从而构建染色体的物理图谱，确定遗传连锁图和物理图之间的关系，对染色体和基因组的结构进行分析，研究异源多倍体物种的进化机制等。
1．棉花染色体核型分析
rDNA的FISH信号是使用*多的染色体识别标记。45S rDNA和SS rDNA位点产生杂
定价：280.0
ISBN：9787030450999
作者：喻树迅，朱玉贤，陈晓亚
版次：1
出版时间：2016-09
内容提要：
本书内容包括棉花的起源与进化，棉花纤维基因资源的创制、挖掘与利用及遗传连锁图谱的构建；棉花基因组学、棉花纤维转录组学和蛋白质组学研究进展；棉花纤维发育相关基因、启动子的克隆与功能验证及转基因优质材料创制；棉花纤维品质和产量相关性状遗传分析方法研究及 QTL定位、棉花抗逆高产分子改良的遗传基础及优质高产多抗棉花新品种的分子改良。
目录：
目录
前言
**章 棉花纤维基因资源与创新1
**节 棉花起源与进化1
一、棉属的系统分类1
二倍体棉种的起源与进化5
三、四倍体棉种的起源与进化6
第二节 棉花纤维基因资源挖掘与创制14
一、棉花纤维基因资源创制14
二、棉花纤维基因资源挖掘与利用33
第三节 棉花遗传连锁图的构建50
一、遗传群体的构建50
二、分子标记的开发56
三、高密度连锁图的构建75
参考文献87
第二章 棉花基因组学研究90
**节 植物基因组学研究进展90
一、高通量DNA测序技术90
二、模式植物基因组研究进展96
三、重要农作物基因组学研究进展96
第二节 棉花D基因组（雷蒙德氏棉）研究113
一、测序、组装与注释113
二、古六倍体化事件和全基因组复制116
三、转座子扩增与简单序列重复118
四、纤维友育、棉酚生物合成相关基因分析118
第三节 棉花A基因组（亚洲棉）研究121
一、测序、组装与注释121
二、A基因组与D基因组比较分析123
三、重要农艺性状相关功能基因分析126
四、A基因组资源应用前景128
参考文献130
第三章 棉花纤维转录组学研究134
**节 转录组学研究技术135
棉花纤维发育生物学
一、功能基因组学核心技术135
二、基因芯片数据分析技术及相关资源137
三、基因表达系列分析技术138
四、转录组分析和RNASeq138
五、棉花cDNA减法技术140
第二节 乙烯与纤维发育141
一、棉花中参与乙烯合成基因的研究141
二、乙烯在棉花纤维伸长过程中起重要作用142
三、油菜素内酯对纤维细胞发育的影响及与乙烯的相互作用144
第三节 超长链脂肪酸与纤维发育147
一、超长链脂肪酸的合成途径及其调控机制研究147
二、植物体内超长链脂肪酸功能研究150
三、棉花纤维中超长链脂肪酸功能研究151
第四节 初生壁合成与纤维发育158
一、植物细胞壁的结构与核苷糖代谢158
二、棉花纤维中初生壁合成的研究162
第五节 次生壁加厚期转录组研究172
一、海陆F2群体次生壁加厚期转录组研究174
二、海陆BC1祥体次生壁加厚期转录组研究180
三、次生壁加厚期转录组基因挖掘与分析193
参考文献212
第四章 棉花纤维蛋白质组学研究216
**节 棉花纤维蛋白质组学研究新方法217
一、棉花纤维总蛋白的酚提取法217
二、棉花纤维总蛋白提取方法评价219
三、棉花纤维蛋白质组分析技术路线219
第二节 长纤维伸长期差异显示蛋白的鉴定与图谱构建221
一、长纤维伸长期蛋白质总量的动态变化222
二、长纤维伸长期蛋白质组的动态变化223
三、长纤维伸长期差异表达蛋白的质谱鉴定223
四、长纤维伸长过程中的活跃生化途径226
第三节 短纤维起始期差异显示蛋白的鉴定与图谱构建227
一、短纤维起始期蛋白质组的动态变化228
二、短纤维起始期差异表达蛋白的质谱鉴定230
三、短纤维起始期重要蛋白质的动态变化231
四、短纤维起始期的差异表达蛋白调控网络235
第四节 棉花纤维细胞差异显示磷酸化蛋白质的质谱鉴定236
一、棉花纤维伸长过程中差异显示蛋白的磷酸化修饰程度236
二维电泳凝胶中单个磷酸化蛋白质的质谱鉴定方法237
三、磷酸化肽段的预测及其磷酸化位点的质谱鉴定238
四、伸长期差异表达磷酸化蛋白质的功能分析242
第五节 蛋白质组学分析所揭示的棉花纤维伸长过程中活跃的蛋白质网络245
一、碳水化合物代谢相关的蛋白质网络246
二、蛋白质代谢相关的蛋白质网络248
三、细胞骨架和囊泡运输相关的蛋白质网络图248
四、渗透压调控相关的蛋白质网络250
参考文献251
第五章 棉花纤维基因克隆与功能验证255
**节 棉花纤维发育重要基因的克隆与功能验证255
一、转录因子对棉花纤维发育的调控255
二、植物激素对棉花纤维发育的调控262
三、功能基因对棉花纤维发育的调控265
四、相关基因的克隆与功能鉴定276
第二节 棉花纤维表达启动子的克隆和功能验证295
一、纤维表达启动子的研究意义和进展295
三、棉花源纤维优势表达启动子299
三、非棉花源种皮／纤维表达启动子306
四、棉花纤维特异／优势表达启动子研究的问题和展望310
第三节 转基因技术体系的改良及应用311
一、转基因技术体系的改良311
二、时空调控生长素合成基因增加棉花纤维数量316
三、转基因优质纤维材料的创制331
参考文献345
第六章 优质高产棉花新品种的分子改良355
**节 棉花纤维品质和产量性状的遗传分析方法355
一、基于混合线性模型的复合区间作图法355
二、基于MCIM的多变量QTL分析方法361
三、基于MCIM的种子性状QTL分析方法368
四、基于MCIM的关联分析方法372
五、基于MCIM的分析软件开发379
第二节 棉花纤维优质高产分子改良的遗传基础384
一、棉花纤维品质和产量相关性状的QTL定位384
二、棉花种子品质相关性状的QTL定位414
三、棉花纤维品质分子标记聚合选择422
第三节 棉花抗逆高产分子改良的遗传基础427
一、棉花抗衰老功能基因筛选428
二、棉花抗旱耐盐性状的遗传分析与基因克隆453
三、棉花抗黄萎病相关基因克隆与分析466
第四节优质高产多抗棉花新品种的分子改良481
一、陆海渐渗优质材料创制481
二、棉花抗旱耐盐新材料创制489
三、棉花光敏雄性不育系材料创制495
四、棉花抗早衰老材料创制500
五、棉花优质高产分子聚合新品种选育507
参考文献510
展望518
在线试读：
**章 棉花纤维基因资源与创新
棉花纤维是棉花经济价值*重要的部分，掌握棉花纤维资源数量的多少直接影响着棉花优质育种的广度和深度。棉花在长时期的进化规程中逐渐形成了以纤维为主要利用价值的现代栽培种，挖掘棉花中现有的优异纤维资源，或利用生物或物理化学诱变技术创造纤维资源是丰富和利用棉花纤维资源多样性的重要手段，对这些纤维基因的遗传定位在一定程度上加速了纤维优异基因聚合，为培育优质高产的棉花新品种提供了资源和技术支撑。
本章引证形态学、分子细胞生物学等多方面的证据介绍了棉属的分类、起源与进化，探讨了四倍体棉种的A、D亚基因组的起源。详细介绍了通过杂交回交结合系统选择、远缘杂交、物理化学诱变、基因工程等方法创造的纤维和产量新种质，及其对这些种质材料的分子鉴定。介绍了各类遗传群体的构建、分子标记的开发，以及棉花种间、种内遗传图谱的构建。
一、棉属的系统分类
（一）棉属分类
**节 棉花起源与进化
棉属（Gossypium）属于锦葵目(Malvales)，锦葵科(Malvaleae)，棉族(Gossypiceae)。棉属，共分为4个亚属，包括50多个种，其中二倍体棉种（2n=2x=26）有40多个，四倍体棉种（2n=4x=52）有5个(Fryxell，1992)。棉属植物广泛分布于全世界，种间形态特征和生长习性存在广泛的多样性，而早期的棉属植物分类研究，基本上依据棉属植物的形态特征和地理分布，不同的分类学家所偏重的形态特征不完全相同。
自从细胞学研究手段被广泛应用之后，棉属的分类得到关键性的突破。Nikolaj eva(1923)提出，亚洲棉和草棉的体细胞染色体数目为2n=26，陆地棉和海岛棉的染色体数目为2n=52。在棉属分类学中作出划时代贡献的当推美国的Beasley (1940; 1941)，他在总结前人己积累的棉属细胞遗传学知识的基础上结合他本人进行的大量的种间杂交研究成果，以杂种后代减数分裂时染色体的配对情况为依据，参照棉种的地理分布，提出了划分染色体组的细胞学分类原则，即凡种间染色体同源性较高的棉种归为同一染色体组，反之则列为不同的染色体组。二倍体棉种分为A、B、C、D、E、F、G和K等8个基因组( Beasley，1940; 1941; Endrizzi et al．，1985; Wendel et al．，2010)，其中A、B、E和F基因组代表亚洲-非洲棉；C、G和K基因组代表澳洲棉；D基因组代袁美洲棉；四倍体棉种被认为是A基因组和D基因组种间杂交产生的双二倍体种，将其定为AD基因组（图1-1）。
关于棉属起源的时间，已有大量文献对此进行了推测。棉属约在1250万年前从*近的亲属分开，与跨海洋传播有关(Johnson and Thein，1970; Edwards et al．，1974)。由于缺乏清晰的化石记录，重建棉属的系统发育的方法主要是通过分子数据，如叶绿体基因组(cpDNA)限制位点( Wendel and Albert，1992)、SS核糖体基因及其间隔区的DNA序列(Cronn et al．，1996)、叶绿体基因ndhF、5.8S基因及其侧翼内转录间隔区(ITS) (Seelanan et al．，1997)。利用这些基因序列获得的棉属系统发育关系大部分都与基因组名称和地理分布一致（图1-1、表1-1）。
（二）二倍体棉种的分类
澳洲棉种(Australian species):澳洲棉种（亚属Sturtia）包括C、G、K基因组，分别包含2种、3种和12种。DNA序列数据表明这3个基因组属于自然家系，与先前它们分别被分成Sturtia组（C基因组）、Hibiscoidea组（G基因组）和Grandicalyx组(K基因组)一致。这3个基因组的分类，仅对C基因组和G基因组研究得比较多，其分类学地位已经明确( Wendel and Albert，1992; Seelanan et al．，1997)。K基因组的棉种有不寻常的地理、形态和生态特征，具有适应干旱的综合性状，特别是具有多年生季节周期生长模式，它们的分类地位还没有确定( Wendel et al．，2010)。
非洲一亚洲棉种(African-Asian species):非洲一亚洲棉种包括14种。分布于棉属基因组的A、B、E、F基因组，具有丰富的物种多样性。A基因组包括Gossypium亚组的2个栽培种亚洲棉和草棉，B基因组包括Anomala亚组的3个非洲种异常棉、三叶棉、绿顶棉。三叉棉也可能属于B组。**一个F基因组种长萼棉，在细胞遗传学上有独特的特性( Phillips，1966)，在形态上与其他种相互分开，这可能是因为其比其他二倍体棉种更适应湿地环境。
美洲二倍体棉种(American diploid species)：美洲二倍体棉种为薪世界二倍体D基因组种，共13种，包括Houzingenia组（含亚组Houzingenia、Integrifolia、Caducibracteolata）和Erioxylum组（含亚组Erioxylum、Selera、Austroamericana）。其中，亚组Houzingenia包括瑟伯氏棉(D1)和三裂棉(D8)；亚组Integrifolia包括克劳茨基棉（D3-k）和戴维逊氏棉（D3-d）；亚组Caducibracteolata包括辣根棉(D2-1)、哈克尼西棉(D2-2)和特纳氏棉(D10)；亚组Erioxylum包括旱地棉(D4)、裂片棉(D7)、松散棉(D9)和施温迪茫棉(D11)；亚组Selera包括拟似棉(D6)；亚组Austroamericana包括雷蒙德氏棉(Ds) (Wendel and Cronn，2003)。
与澳洲棉和非洲，亚洲棉相比，美洲棉的分类和系统发生学方面得到了广泛的研究。尽管6个亚组间的系统进化关系证据不是十分充足( Wendel et al．，2010)，但13个D基因组种与6个亚组相对应被精细地分成家系，这与Fryxell (1992)长期按照形态已经得到酌系统发生关系并不十分一致。已有多个证据表明拟似棉是美洲棉，并作为亚组Selera的**代表种，与地理上隔离的亚组Austroamericana的**种雷蒙德氏棉的亲缘关系*近(Cronn et al．，2003)。
（三）基于叶绿体基因组的棉属系统发育分析
植物分子系统发育学研究主要基于植物的3个基因组，即核基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组。植物核基因组较为复杂，单拷贝或低拷贝的基因筛选较为困难，不易进行分析，而且测序进度比较缓慢，序列完全拼接困难，目前只有较少物种的核基因组得到发布，如水稻、高梁、黄瓜和拟南芥等，缺乏数据基础，使得基于此的大规模的植物系统发育分析相对滞后。植物线粒体基因组为300～600kb，但在不同的植物类群中变异很大，而且进化速率较慢，是叶绿体基因组进化速率的1/4，且线粒体基因组还存在分子内重组现象。植物叶绿体基因组作系统发育分析具有很多优点：**，叶绿体基因组是单拷贝的，且大多是母系遗传，不存在自由组合和连锁交换现象，独立进化；第二，叶绿体基因组结构相对简单，相对保守，不同物种叶绿体基因组之间具有一定的共线性；第三，叶绿体基因组长度仅为120～160kb，容易测序相分析；第四，叶绿体基因组进化速率适中，包含大量遗传信息，而且其中的编码区和非编码区由于进化速率的差异，可以分别适用于不同分类阶元的系统发育研究( Clegg et al．，1994)。
利用变异度高和进化速率快的序列区域，建立系统发育树(图1-2)，3种方法构建的ML、MP和NJ树拓扑结构基本一致，支持率也较高，较为可信。整个棉属分类与生物地理学十分吻合，一支为澳洲棉种，包括C组和G组棉；另一支为美洲棉种，包括D组和(AD)组四倍体棉种；而亚洲一非洲棉种位于两支之间，其中B组进入澳洲棉种分支，而A组、F组和E组进入美洲棉种分支。棉种聚合情况与传统分类基本一致，但G组的G]却与C组较近，符合“双系祖先”观点(Wendel and Cronn，2003)，即比克氏棉以斯特提棉的祖先种为母本，以澳洲棉和奈尔逊氏棉的祖先种为父本，经种间杂交而成，进化后代中斯特提棉的核基因组被删除。图1-2 基于10个高变异叶绿体序列的15个棉种系统发育树
基于叶绿体基因组的系统发育分析，将棉种较为准确的聚合分类，与传统分类基本一致，各个染色体组自我聚合成一支。基因组内棉种的亲缘关系*近，二倍体棉种，A组（Ai和A2）、B组（Bi和B3）、C组（C1和C1-。）、D组（Di、D5和D6）、E组(E1和E2)、F组(Fi)、G组（G，和G3）分别聚成一支；四倍体棉种大致分为3支(Flagel and Wendel，2010)，一支为(AD)1和(AD)3，一支为(AD)2和(AD)s，剩余的(AD)4自成一支。亲缘关系很近的四倍体棉种，叶绿体基因组相似度很高，所以(AD)2和(AD)s聚在一支可与其他三个棉种区别开来。
二、二倍体棉种的起源与进化
分属于8个基因组的二倍体棉种各染色体组间的演化关系是个很复杂的理论问题，有许多学者从不同方面进行过探讨。Phillips (1966)根据二倍体棉种种间杂种F，减数分裂过程中染色体的配对情况，提出分布于阿拉伯地区的E基因组可能是*原始的祖先种，因为E基因组和其他基因组杂交形成的杂种，其基因向源配对*低，出现*高频率的单价体；A、B基因组则是由同一祖先分化而来的。因为A、B基因组的种间杂种平均单价体频率为3；D基因组与C基因组的分化在A、B基因组之前，因为A、B与C、D两个基因组的种间杂种单价体频率为10～18。由于D基因组形成的杂种单价体频率又高于C基因组形成的杂种的单价体频率，所以D基因组应在C基因组之前先分化出来。按照棉花纤维发育生物学Phillips的观点，A、B基因组是由同一祖先进化而来的，在细胞学上等同于两个基因组；它们与D、E基因组杂交形成的杂交种单价体频率应该等同或相似，但他的实验结果显示A、B基因组与D、E基因组形成的杂种与单价体频率却相差较大。说明仅靠杂种单价体频率并不能阐明所有二倍体种间的演化规律。
有人通过种子蛋白质电泳分析发现雷蒙德氏棉、裂片棉、松散棉、旱地棉、拟似棉5个D基因组种有一特异的条带，而此带仅在B基因组内出现，E基因组未出现，随之把上述5种划分为Dβ组，其余为D。组。B基因组与其他各组的平均相关系数*高(F0.59)，并考虑到B基因组的大面积的地理分布，认为B基因组可能是*近的棉属祖先代表种。据此推断，Do组是由B基因组通过巴西至秘鲁，*后到达墨西哥中部衍生而形成的；而D。的形成则通过另一条途径，即B基因组通过加勒比海至墨西哥衍生成的。E基因组由B基因组向北衍生形成，A基因组和C基因组则是由B基因组向南和向东南衍生而形成。这样便形成了现今二倍体棉种的地理分布格局。聂汝芝和李懋学(1993)通过22个二倍体棉种的核型分析也认为，现有的二倍体棉种是B基因组*原始的祖先种所衍生的，而A、B、D、E基因组则是由B基因组向不同方向扩展而分化形成的。根据表型性关系的原理，估价了系统发育的性状，发现B基因组是所有基因组中*具同质性的，其组内种间平均相关系数*大，而且与A、E、D基因组呈显著相关，与其他基因组的平均相关系数*大，因而基因组可看成是棉属其他二倍体的某种原型。但Johnson和Thein( 1970)的蛋白质电泳发现，南非作为A基因组的起源中心更合理，因为它与B基因组的相关系数很低(r=0.15)，且A、B、Do组在3.5cm处共有一条特异的深带，此带除比克氏棉外，其他基因组的棉种缺失此带。这样A基因组的起源问题就陷入悖论状态。
根据单DNA含量分析，发现染色体*大核DNA含量*高的是分布于澳洲棉种的C基因组，DNA含量*低的是分布于美洲棉种的D基因组，据此提出D基因组是棉属中的原始类群，其他基因组是由D基因组中的重复序列扩增而形成的；然而仅根据DNA含量*少就认为是原始类群的观点似乎过于简单，因为根据已进行过详细分析和比较研究的一些高等植物的属，在属内二倍体种之间的进化趋势均伴随着DNA含量减少。此外，把D基因组作为*原始的种群，也与现今的观点相悖，通常以为，起源中心一般都是分化中心，而现今美洲棉种仅分布一个D基因组，而非洲棉种则有A、B、D、E和F共5个基因组。因此多数人认为非洲棉种是二倍体棉种的起源中心(宋国立，2007; Wendel et al．，2010)。
三、四倍体棉种的起源与进化
（一）应用荧光原位杂交技术研究四倍体棉花的起源
目前荧光原位杂交( FISH)技术广泛应用于棉花基因组中单拷贝DNA序列、DNA重复序列、多拷贝基因家族的染色体定位，且可定位遗传图到特定的染色体或染色体臂上，从而构建染色体的物理图谱，确定遗传连锁图和物理图之间的关系，对染色体和基因组的结构进行分析，研究异源多倍体物种的进化机制等。
1．棉花染色体核型分析
rDNA的FISH信号是使用*多的染色体识别标记。45S rDNA和SS rDNA位点产生杂