臧新山 ，耿延會 ，裴文鋒 ，吳嫚 ，李興麗 ，張金發(fā) ，于霽雯 *

（1.棉花生物學(xué)國家重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，河南安陽455000，中國；2.New Mexico State University,Las Cruces,New Mexico 88003,USA）

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物之一，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、農(nóng)藝性狀良好的棉花品種是棉花研究人員的共同目標(biāo)。棉花質(zhì)量性狀的研究始于1906年海島棉（Gossypium barbadense）有色纖維遺傳分析[1]。我國的棉花質(zhì)量性狀遺傳研究從孫肇傳開始，后繼者有馮澤芳、孫逢吉、俞啟葆、華興鼐和奚元齡等[1]。

質(zhì)量性狀一般是受一兩個主效基因控制，遺傳行為簡單，雜交后F2分離時呈明顯的不連續(xù)變異，符合孟德爾遺傳定律。本文主要從棉花質(zhì)量性狀遺傳分析、分子標(biāo)記定位和候選基因克隆幾個方面系統(tǒng)地綜述了植株顏色、葉片顏色、葉型、苞葉、花、蜜腺、腺體和纖維8類質(zhì)量性狀。

1 質(zhì)量性狀及其遺傳分析

1.1 植株顏色

棉花植株顏色一般呈綠色，而紅株突變體表現(xiàn)出明顯的紅色，且伴隨其他性狀變化。植株顏色質(zhì)量性狀主要包括紅株R1[2]、亞紅株Rs[3-4]和矮紅株Rd[5-6]（表1）。具有紅色葉片的棉花對棉鈴象鼻蟲、棉鈴蟲具有抗性。此外，相對于經(jīng)典的紅株棉和普遍的綠株棉，亞紅株棉的光合效率更高[3]。

1.2 葉片顏色

葉片顏色與作物的光合作用緊密相關(guān)，對光合效率有重要的影響。棉花葉片顏色主要包括葉綠素缺失或改變導(dǎo)致的持久性的顏色變化和芽黃2種類型，大多數(shù)純合芽黃突變體在苗期表現(xiàn)明顯，子葉或真葉呈不同程度的黃色，花期或盛花期轉(zhuǎn)為綠色。芽黃作為1種指示性狀，在棉花雜種優(yōu)勢利用中已被棉花育種工作者廣泛應(yīng)用。棉花主要的葉片顏色調(diào)控基因見表2。

表1 植株顏色調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記和參考文獻Table 1 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,and references for cotton plant color controlling genes

1.3 葉型

棉花正常葉片一般具有5個裂片，表面平滑，常伴有茸毛和腺體，像手掌一樣，因此葉片形狀的變化容易鑒定。棉花葉型主要包括皺縮葉、帶狀葉、杯狀葉、圓形葉和雞腳葉等類型。皺縮葉形態(tài)突出，易于觀察，從1918年開始就有研究報道。雞腳葉能夠提高抗旱性，增強抗蟲能力，對棉花的品種改良有著深遠的影響。棉花葉型質(zhì)量性狀調(diào)控基因見表3。

表2 葉片顏色調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記、候選基因和參考文獻Table 2 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,candidate genes and references for cotton leaf color controlling genes

表2 （續(xù)）Table 2 （Continued）

1.4 苞葉

棉花在正常情況下有3片苞葉，呈心臟形，緊貼著蕾鈴，與蕾鈴發(fā)育、病蟲害防治、光合產(chǎn)物積累以及紡紗品質(zhì)有密切的關(guān)系[50]。棉花苞葉質(zhì)量性狀基因主要包括窄卷苞葉fg[51]和凋萎苞片bw1bw2[52]（表 4）。

1.5 花

正常情況下棉花的花由苞葉、花萼和花冠包圍著的雄蕊和雌蕊組成，在開花當(dāng)天花冠張開，常異花授粉。陸地棉為白色花冠、白色花藥，海島棉為黃色花冠、黃色花藥。調(diào)控柱頭外露的基因主要為ob1[53]和ob2[54]；黃色花冠調(diào)控基因Y1和Y2，與y1或y2乳白色花冠相對應(yīng)，Y1調(diào)控除達爾文氏棉外所有異源四倍體的黃色花冠，而Y2基因調(diào)控達爾文氏棉[55-57]。陸地棉中，花藥顏色從深黃色到乳白色，調(diào)控基因為P1和P2。P1P1P2P2表現(xiàn)為黃色，p1p1p2p2表現(xiàn)為乳白色，雙雜合體P1p1P2p2是橘色[58-61]?；ü诨坑屑t色不規(guī)則的斑點，開花的時候非常明顯，其調(diào)控基因為R2[61-62]（表5）。

表3 葉型調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記、候選基因和參考文獻Table 3 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,candidate genes and references for cotton leaf shape controlling genes

1.6 蜜腺

棉花蜜腺是一些害蟲的重要食物來源。棉花蜜腺比較多，蜜腺期長，成為導(dǎo)致蟲害的主要原因之一。因此，培育無蜜腺的棉花品種對棉花抗蟲具有重要意義。陸地棉有葉蜜腺、花外蜜腺和花蜜腺，葉蜜腺位于葉背葉脈上距離葉基約1 cm處的窩狀凹陷；花外蜜腺位于苞片之間或者苞片內(nèi)；花蜜腺位于萼片和花瓣之間[63-64]。調(diào)控棉花無蜜腺的質(zhì)量性狀基因包括ne1和ne2（表6）。

表4 苞葉調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記和參考文獻Table 4 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,and references for cotton bract trait controlling genes

表5 花相關(guān)調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記和參考文獻Table 5 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,and references for cotton flower related controlling genes

表6 蜜腺調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記和參考文獻Table 6 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,and references for cotton nectary controlling genes

1.7 腺體

棉花的鈴、莖、葉等器官上散布著黑色或深棕色的小斑點，稱為腺體。腺體對棉花抵御病蟲有重要的作用，但同時對反芻動物和人類食用棉籽產(chǎn)生不利的影響。腺體按照其大小可以分為2種類型，較大類型腺體主要出現(xiàn)在胚軸，也會出現(xiàn)在節(jié)點，但很少出現(xiàn)在節(jié)點之間或心皮壁；小腺體出現(xiàn)在所有的軸部和胚軸、心皮壁。棉花腺體質(zhì)量性狀主要包括無腺體棉鈴 （gl1、gl6和gl1y）、有無腺體植株（gl2、Gl2s、Gl2e、gl3和Gl3r）、無腺體植株修飾基因 （gl4和gl5）和滲漏腺體基因（Lk）（表 7）。

1.8 纖維

棉花纖維被分為短絨（Fuzz）和長絨（Lint）。短絨：長度短于5 mm，緊緊貼附于種皮，類似于野生棉花種子毛；而長絨依據(jù)成熟時的平均長度可以分為3類：短纖維 （小于21 mm），長纖維（28～32 mm），超長纖維（大于 35 mm）[74]。一般區(qū)分長絨纖維和短絨的方法是，軋花時從種子上軋下來的是纖維，留在種子上的是短絨。目前在棉花上發(fā)現(xiàn)了各種與纖維發(fā)育相關(guān)的質(zhì)量性狀，主要包括光籽（N1和n2）、 列氏無纖維（Li1、Li2、Li3、Li4和Lix）、無纖維[Fbl，sma-4（ha）和sma-4（fz）]、不成熟纖維（im）和纖維顏色（Lg、Lgf、Lc1和Lc2）等變異（表 8）。

2 連鎖分析和分子標(biāo)記定位

傳統(tǒng)上，對于發(fā)現(xiàn)的突變體，用遺傳標(biāo)準系TM-1、多隱性標(biāo)記系T582和多顯性標(biāo)記系T586與之雜交，進行遺傳分離分析；還可以用該突變體與已知類似的突變體雜交進行等位性分析；亦用突變體與單體或端體雜交進行染色體定位分析。近年來，分子標(biāo)記是研究質(zhì)量性狀基因的重要工具。棉花質(zhì)量性狀基因連鎖分析和分子標(biāo)記定位研究已經(jīng)取得了較大的進展，本文綜述了8類性狀的101個質(zhì)量性狀基因和等位基因，其中58個基因和等位基因（其中Rd基因定位于XIV連鎖群）被定位到了染色體上，32個基因和等位基因被定位于分子標(biāo)記之間，更重要的是，其中7個已經(jīng)被克?。ū?～8）。盡管棉花質(zhì)量性狀基因定位研究已取得了非常大的進展，但仍存在一些問題，與水稻、玉米等作物相比還存在較大差距。目前棉花中還有約一半的基因沒有被定位于染色體上，只有約30%的基因被定位于分子標(biāo)記之間，而且精細定位的基因更少。

表7 腺體調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記、候選基因和參考文獻Table 7 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,candidate genes and references for cotton gland controlling gene

表8 纖維發(fā)育調(diào)控基因的基因符號、名稱、來源、染色體定位、連鎖的分子標(biāo)記、候選基因和參考文獻Table 8 Gene symbols,names,species origins,chromosome,linkage associations,candidate genes and references for cotton fiber mutants

在這些性狀中，研究最深入的是纖維相關(guān)性狀。在本文綜述的15個纖維質(zhì)量性狀基因中，14個基因被定位于染色體上，12個基因被定位于分子標(biāo)記之間，其中4個已經(jīng)被圖位克隆（表8）。其余的質(zhì)量性狀基因依據(jù)其重要性，研究進展不盡相同。其中芽黃基因v1（表2）、雞腳葉基因L2o（表3）、顯性腺體基因Gl2e（表7）已被精細定位并進行了候選基因克隆與驗證（見下文）。

3 候選基因克隆與功能分析

圖位克隆是質(zhì)量性狀候選基因克隆最經(jīng)典的手段，在綜述的植株顏色、葉片顏色、葉型、苞葉、花、蜜腺、腺體和纖維8類性狀中，植株顏色、苞葉、花和蜜腺4類性狀沒有相關(guān)基因被克?。黄溆?類性狀中，葉片顏色性狀克隆到v1[11-12]，葉型性狀克隆到L2o[47-49]，腺體性狀克隆到Gl2e[70-71]，纖維性狀克隆到N1[77]、Li1[82]、Li3[87]和Lc1[95]。張?zhí)煺嫜芯繄F隊在這一研究方向貢獻較大，克隆到Gl2e、L2o、N1、v1和Li3幾個質(zhì)量性狀調(diào)控基因，其中Gl2e和N1是與陳曉亞研究團隊合作完成。

葉片顏色v1：2017年，通過集團分離分析法（Bulked segregant analysis，BSA）， 從多隱性標(biāo)記基因系T582中克隆到芽黃v1基因GhCHL1，該基因編碼鎂離子螯合酶，定位于染色體D10上，對應(yīng)TM-1基因號為Gh_D10G0283（對應(yīng)At亞基因組基因號為Gh_A10G0282），進一步通過病毒誘導(dǎo)的基因沉默（Virus induced gene silencing，VIGS）技術(shù)沉默GhCHL1基因表現(xiàn)出芽黃的表型[11]。2018年，喻樹迅研究團隊通過圖位克隆的方法也克隆到該基因[12]。

葉型L2o：2016年，Zhu等克隆到調(diào)控葉型的復(fù)等位基因L2o位點GhOKRA-Dt，定位于D01染色體上，對應(yīng)雷蒙德氏棉基因號為Gorai.002G244000.1，對應(yīng)TM-1基因號為Gh_D01G2042（對應(yīng)At亞基因組基因號為Gh_A01G1801），該基因編碼同源異型-亮氨酸拉鏈（HD-Zip）轉(zhuǎn)錄因子[47]。同年，張?zhí)煺嫜芯繄F隊也克隆到該基因，利用VIGS技術(shù)抑制GhOKRA基因的表達后，葉片表型由雞腳葉變?yōu)殚熑~。過表達GhOKRA的擬南芥植株葉片出現(xiàn)分裂。序列分析發(fā)現(xiàn)，闊葉棉花GhOKRA基因發(fā)生突變，會使翻譯提前中止，從而喪失了基因功能[48]。2017 年，Andres等也克隆到該基因（L-D1），同時證明其祖先種是亞雞腳葉葉型，經(jīng)典的雞腳葉葉型的啟動子存在 133 bp（base pairs）的串聯(lián)重復(fù)，進而影響L-D1基因的表達量；野生型葉型的第三個外顯子存在1個8 bp的缺失，導(dǎo)致該基因提前終止翻譯[49]。

腺體Gl2e：2016年，克隆到棉花顯性無腺體Gl2e基因GoPGF，定位于A12染色體上，對應(yīng)TM-1基因號為Gh_A12G2172（對應(yīng)Dt亞基因組基因號為Gh_D12G2351）。利用VIGS技術(shù)抑制GoPGF基因的表達，棉花不再產(chǎn)生腺體器官，同時棉酚含量減少約90%。該基因全長1 428 bp，編碼1個bHLH轉(zhuǎn)錄因子，無內(nèi)含子。在有腺體材料和無腺體材料之間存在3個單核苷酸多態(tài)性位點（Single nucleotide polymorphism，SNP），導(dǎo)致1個氨基酸的差異。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，4 293個基因在正常葉片和GoPGF基因沉默表達葉片中發(fā)生差異表達，其中2 276個基因上調(diào)表達，1 306個基因下調(diào)表達。上調(diào)表達基因主要富集在光反應(yīng)、細胞壁降解、蛋白質(zhì)合成等途徑中；下調(diào)表達基因顯著富集在次生代謝、茉莉酸信號和WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族等[70]。這是棉花中第一個利用正向遺傳學(xué)手段圖位克隆到的基因。宋國立研究團隊也精細定位到該基因[71]。

纖維性狀：2016年，克隆到顯性光子突變體N1基因GhMML3_A12，N1突變體完全無短絨且纖維有不同程度減少。N1基因編碼1個MYBMIXTA-like（MML）轉(zhuǎn)錄因子，該基因與之前報道的GhMYB25-like基因為同一基因[96]，定位于染色體A12上，對應(yīng)TM-1基因號為Gh_A12G1503（對應(yīng)Dt亞基因組基因號為Gh_D12G1628）。通過VIGS等方法進一步確定N1為MYB類轉(zhuǎn)錄因子基因GhMML3_A12。研究還發(fā)現(xiàn)GhMML3_A12在突變體N1中的低表達與天然反義轉(zhuǎn)錄本 （Natural antisense transcripts，NATs）產(chǎn)生相關(guān)[77]。

2017年，Thyssen等克隆到顯性極短纖維Li1基因GhACT_LI1（Gh_D04G0865，對應(yīng) At亞基因組基因號為Gh_A04G1367），該突變體的纖維伸長發(fā)育過早終止而導(dǎo)致成熟的纖維極端縮短，該基因編碼1個細胞肌動蛋白相關(guān)的F-actin基因，其中1個氨基酸的替換（Gly65Val）影響了細胞極性和細胞骨架紊亂，進而導(dǎo)致該表型的出現(xiàn)[82]。

2018年，克隆到長絨纖維發(fā)育Li3基因Gh-MML4_D12，編碼1個MML轉(zhuǎn)錄因子，定位于染色體D12上，對應(yīng)TM-1基因號為Gh_D12G1629（對應(yīng)At亞基因組基因號為Gh_A12G1504）。VIGS沉默GhMML4_D12基因的表達導(dǎo)致表皮細胞突起和棉纖維產(chǎn)量的顯著降低。GhMML4_D12與GhMML3串聯(lián)，這2個密切相關(guān)的MIXTA基因分別與長絨纖維和短絨纖維的起始有關(guān)，它們可能調(diào)控不同類型細胞的同一代謝途徑[87]。

2018年，肖月華研究團隊克隆到棉花深褐色纖維Lc1基因GhTT2-3A（Gohir.A07G020200），該基因編碼磷脂酸（Phosphatidic acid，PA）調(diào)節(jié)因子 TRANSPARENT TESTA 2（TT2）家族成員，定位于染色體A07上，對應(yīng)TM-1基因號為Gh_A07G2341（對應(yīng)Dt亞基因組基因號為Gh_D07G0169），通過轉(zhuǎn)基因等手段揭示出TT2同源基因GhTT2-3A調(diào)控PA生物合成與棉纖維的著色[95]。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了棉花部分質(zhì)量性狀遺傳分析和基因定位的研究進展，包括植株顏色、葉片顏色、葉型、苞葉、花、蜜腺、腺體和纖維8類性狀，涉及101個基因和等位基因。到目前為止，植株顏色、苞葉、花和蜜腺4類性狀暫時沒有基因被克隆；葉片顏色、葉型和腺體3類性狀分別克隆到1個基因，分別是v1[11-12]、L2o[47-49]和Gl2e[70-71]；棉花是最重要的天然纖維作物，纖維性狀克隆到4個基因，

分別是N1[77]、Li1[82]、Li3[87]和Lc1[95]。棉花質(zhì)量性狀研究雖然開始的早，但研究進展卻較慢，對于大部分質(zhì)量性狀仍然停留在分子標(biāo)記定位階段，主要原因是棉花為異源四倍體AD基因組，基因組比較復(fù)雜。

隨著棉花基因組測序數(shù)據(jù)的陸續(xù)公布，棉花質(zhì)量性狀研究進入了新的階段，進入了快速發(fā)展期。2012年，棉花D基因組雷蒙德氏棉（G.raimondii）的全基因組測序及組裝完成，基因組大小567.2 Mb，包含40 976個編碼蛋白的基因[97-98]。2014年，棉花A基因組亞洲棉石系亞1號的全基因組測序及組裝完成，基因組大小1 694 Mb，包含41 330個編碼蛋白的基因[99]。2015年，異源四倍體陸地棉品種TM-1的全基因組測序及組裝完成，基因組大小為2 173 Mb，其中At亞基因組為1 170 Mb，Dt亞基因組為753 Mb。共預(yù)測到76 943個編碼蛋白的基因，定位于染色體上的基因72 142個，其中At亞基因組基因35 056個，Dt亞基因組基因37 086個[100-101]。同樣是2015年，海島棉品種3-79和Xinhai 21全基因組測序及組裝完成，3-79全基因組大小為2.57 Gb，包含80 876個編碼蛋白質(zhì)的基因；Xinhai 21基因組大小為2.47 Gb，包含76 526個編碼蛋白質(zhì)的基因[102-103]。棉花基因組數(shù)據(jù)測序完成之后，棉花質(zhì)量性狀定位及克隆進展明顯加快。目前已經(jīng)克隆了葉片顏色性狀基因v1[11-12]、葉型性狀基因L2o[47-49]、腺體性狀基因Gl2e[68-71]，纖維性狀突變基因N1[77]、Li1[82]、Li3[87]和Lc1[95]，這些基因的克隆都是在上述基因組測序數(shù)據(jù)公布之后。

相信隨著棉花基因組數(shù)據(jù)的進一步完善，分子標(biāo)記越來越密，采用圖位克隆的方法定位棉花質(zhì)量性狀基因?qū)⒃絹碓饺菀?。另外，BSA[11,104]等一些新方法的出現(xiàn)，使定位克隆更加快速準確。相信在不久的將來，更多的棉花質(zhì)量性狀基因?qū)豢寺〔⒔馕稣{(diào)控機理。