下载:
下载:
-
大豆Glycine max富含蛋白质、多糖、不饱和脂肪酸、异黄酮，具有丰富的营养价值[1]。中国西南地区“寡日、高湿、小温差”的特殊生态环境，致使大豆抗逆性差、极易发生田间霉变、品质劣变严重，危害食品安全，这成为阻碍南方大豆发展的重要瓶颈[2]；选育田间霉变抗性品种是突破该瓶颈问题的有效途径之一。前期研究表明：轮枝镰刀菌Fusarium verticillioides为大豆田间霉变的主要致病菌[3]，不同大豆种质资源的种荚对轮枝镰刀菌的感病性存在显著差异[4]。禾谷镰刀菌F. graminearum会抑制小麦Triticum sestivum光合作用相关基因导致其光合作用下降[5]；尖孢镰刀菌F. oxysporum会破坏枸杞Lycium sp.叶片的光合机构，使得感病品种的叶绿体色素降解，净光合速率、蒸腾速率以及叶绿素荧光参数急剧下降[6]。叶绿素荧光动力学技术在测定植物光合过程中光系统对光能的吸收、分配等方面具有独特作用，能直观显示植物受胁迫时的变化过程，可检测由病毒、细菌、真菌感染引起的生理变化；其在黄瓜Cucumis sativus[7]、小麦[8]、水稻Oryza sativa[9]等多种植物上得到了较快的普及和广泛应用[10]。本研究以豆荚抗性不同的3个典型大豆种质为试验材料，监测轮枝镰刀菌接种在豆荚后叶绿素荧光参数变化情况，旨在寻找评价大豆种荚田间霉变抗性的指标，为抗性大豆新品种的选育奠定基础。
-
试验于2018年在四川农业大学教学科研园区(四川雅安)进行。供试材料为3种不同抗性大豆种质，包括高抗大豆‘QWT15-2’、中抗大豆‘E1’和易感大豆‘E314’。供试的轮枝镰刀菌由农业部西南作物生理生态与耕作学重点实验室提供。
大豆于6月15日播种，生长至鼓粒期(R6)时取样；采集长势一致的健康、饱满豆荚，用冰盒带回实验室，以无菌水冲洗干净备用。每个种荚用无菌注射器破损3处表皮，向损伤部位接种5 μL菌悬液(106 cuf·mL−1)，对照组用等量的无菌水处理。随后，将豆荚置于铺有湿润滤纸的无菌培养皿中，10皿·品种−1，接种种荚3~6个·皿−1。于接种后1、2、3、4、5 d监测种荚的叶绿素荧光参数。
-
种荚经暗适应20 min后，采用CF Imager叶绿素荧光成像系统(英国Technologica公司)测定其初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、非光化学猝灭系数(QNP，qN)、PSⅡ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、光电子传递速率(RET)等叶绿素荧光参数，并对荧光参数进行成像分析。采用Microsoft Excel 2010软件整理数据、作图，SPSS 23.0软件统计分析。
-
对不同抗性大豆种荚接种霉菌1~5 d内的叶绿素荧光参数进行时序性监测。由图1A~B可知：高抗大豆‘QWT15-2’在接菌培养的5 d内，未发现明显的病斑产生；中抗大豆‘E1’和感病大豆‘E314’则在接菌1 d后即出现了小块病斑，并随着接种培养时间的延长，病斑处颜色和区域增加越加明显，荧光强度显著降低。Fv/Fm和QNP的成像变化与豆荚的受害呈现出明显的相关性。在图1C~D中，高抗大豆‘QWT15-2’在接种5 d后，与对照相比，Fv/Fm具有明显的应答响应，荧光强度虽成显著降低，但仍可以达到0.73，而中抗和敏感的‘E1’和‘E314’病斑处，Fv/Fm图像分别在接种后4和1 d呈现深蓝色，且Fv/Fm荧光强度明显降低，与受侵染处组织受到破坏的程度表现出一致性，QNP的荧光成像和参数与之呈现出类似的变化特征。总体表现为种荚霉变病级越高，病斑处区域则越大，Fv/Fm和QNP越低，变化幅度越大；高抗种荚的Fv/Fm和QNP高于中抗和敏感品种，但变化幅度小于中抗和敏感品种。
图 1 接种轮枝镰刀菌后的种荚Fv/Fm和QNP成像及参数变化
Figure 1. Fv/Fm and QNP imaging and parameter changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
-
大豆种荚接种轮枝镰刀菌后，其初始叶绿素荧光参数发生变化，不同抗性豆荚的变化存在差异(图2)。与对照相比，在接菌培养的5 d内，易感大豆‘E314’的初始荧光参数变化最为剧烈，Fo、Fm及Fv均呈降低趋势，且在培养的5 d内，各参数的平均降低幅度分别为32%、58%、66%；中抗大豆‘E1’的初始荧光参数变化较为缓和，Fo、Fm及Fv也主要呈降低趋势，其各参数的平均降低幅度分别为6%、19%、22%；而高抗大豆‘QWT15-2’的3个初始荧光参数变化幅度仅为7%、8%、13%。这表明种荚受轮枝镰刀菌侵染后，高抗材料初始荧光变化幅度最小，中抗材料其次，敏感材料最大；且随着侵染时间延长，种荚霉变程度加剧，Fm和Fv具有明显的应答响应。
图 2 接种轮枝镰刀菌后的种荚初始叶绿素荧光参数变化
Figure 2. Initial chlorophyll fluorescence parameters changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
-
接种轮枝镰刀菌的5 d内，不同抗性大豆种荚的非光化学猝灭系数qN随接种时间变化如图3所示。与对照相比，随着接种时间的延长，‘QWT15-2’的qN几乎没有变化；‘E1’和‘E314’种荚qN不断增高，且变化幅度明显大于‘QWT15-2’。‘E1’种荚qN在接种3 d后呈极显著变化；而‘E314’种荚qN变化时间更为提前，在接种2 d后呈显著变化；‘QWT15-2’在整个接种过程中变化都不显著，表明荧光参数qN在响应时间和变化幅度上，对霉菌侵染应答敏感。
图 3 接种轮枝镰刀菌后种荚非光化学猝灭系数
Figure 3. Non-chemical quenching coefficient changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
-
对接种豆荚的光化学效率与电子传递效率进行了时序性监测。由图4可知：在接种的5 d内，与对照相比，3个不同抗性大豆豆荚的光化学效率ΦPSⅡ与电子传递速率RET均呈下降趋势，但仅在易感材料‘E314’中响应剧烈。
图 4 接种轮枝镰刀菌后的种荚光化学效率与电子传递效率
Figure 4. Photochemical efficiency and RET changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
-
叶绿素荧光成像技术是植物光合生理的无损伤探针，近年来在植物抗逆生理机制和植物病害检测方面得到了广泛应用。对水稻[9]、小麦[11]、山葡萄Vitis amurensis[12]等植物的病害研究发现，各种病害均会降低植物Fv/Fm，抑制PSⅡ活性。杨峰等[13]运用荧光成像技术发现，根腐病导致大豆叶片PSⅡ反应中心受到影响，使得Fv/Fm、QNP和ΦPSⅡ下降；何金祥等[14]在烟草Nicotiana tabacum中发现花叶病毒感染叶片时，PSⅡ的光捕获效率和光化学反应效率降低，光合电子传递和碳同化受到抑制，Fv/Fm、QNP和ΦPSⅡ显著低于健康叶片。表明在生物胁迫检测中，叶绿素荧光参数Fv/Fm、QNP和ΦPSⅡ等对生物胁迫具有较好的灵敏度，能实现对染病植株与健康植株的早期识别，也能定量分析植株的染病程度。
在本研究中，种荚接种轮枝镰刀菌后，其荧光参数与对照差异明显，高抗大豆‘QWT15-2’参数变化幅度最小，其次是中抗大豆‘E1’，易感大豆‘E314’最大。接种后Fo、Fm及Fv呈降低趋势，Fo为光照下最小荧光，主要与PSⅡ天线色素内的最初激子密度及叶绿素含量有关[15]，由于种荚组织被病原菌破坏，叶绿素含量急剧降低，导致Fo明显降低；Fm和Fv分别反映了PSⅡ的电子传递情况和电子传递受体QA的还原情况[16]，与对照相比，接菌后‘E1’和‘E314’的PSⅡ活性下降，电子传递速率RET降低。表明霉菌侵染大豆种荚后，会损坏其光合机构，导致电子传递受阻，使得种荚初始荧光降低，而‘QWTT15-2’维持了较为健康的组织形态，初始荧光参数表现稳定。在初始荧光中，Fm和Fv在中抗大豆‘E1’和易感大豆‘E314’较早应答病菌侵染，随着侵染时间延长，种荚霉变程度加剧，Fm和Fv具有明显的应答响应。
最大光化学效率Fv/Fm及光化学效率ΦPSII的降低也表明种荚受霉菌侵染后，种荚健康组织逐渐受损，其PSⅡ反应中心的原初光能捕获效率降低，导致实际的光化学效率ΦPSII降低，其中Fv/Fm在3个不同抗性材料中应答最为明显。非光化学猝灭系数qN和QNP反映了PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递的部分和植物热耗散的能力[17]，种荚在霉菌侵染条件下，‘E1’和‘E314’种荚的健康组织逐步霉变，病变处光能未被光合吸收利用，使得天线色素吸收的多余光能以热能形式耗散掉。在整个接种过程中，‘QWT15-2’种荚qN和QNP变化都不显著，而‘E1’和‘E314’种荚qN和QNP分别在接种3和2 d后呈显著变化，表明qN和QNP在响应时间和变化幅度上，对霉菌侵染应答敏感。
因而在上述实验过程中，高抗大豆‘QWT15-2’在接种病原菌后，种荚各荧光参数变化均不大，仅Fv/Fm变化明显；中抗大豆‘E1’中，荧光参数下降幅度更为明显，多个参数在霉变严重的4~5 d达到显著水平，以Fm、Fv、qN和QNP的应答更为明显；而易感大豆‘E314’种荚在霉菌侵染2 d时，其光系统活性即发生显著变化，所有荧光参数均发生了极显著响应。
-
轮枝镰刀菌侵染大豆种荚后，不同抗性大豆种荚的荧光参数响应迅速。霉菌造成种荚光合机构损伤，叶绿素降解，热耗散能力降低，阻碍了光合电子传递，导致光合速率下降；随着离体培养时间的延长，病原菌扩散加快、霉变程度加剧，健康种荚组织逐渐被霉菌破坏，使得种荚Fo、Fm、Fv、Fv/Fm、QNP、ΦPSⅡ、RET下降；其中，霉菌侵染不同抗性大豆1 d后，Fv/Fm即有明显响应，均呈现下降趋势，可作为筛选抗性大豆种质的首要评价指标；Fm、Fv、qN和QNP在中抗和易感品种中也具有显著响应，可作为次要评价指标。南方大豆田间霉变严重，基于叶绿素荧光成像技术实现对豆荚霉变的早期监测预报具有重要作用，后续工作将扩大检测群体，进一步验证荧光参数的应用效果，为抗病新品种选育奠定基础。
Imaging rules in chlorophyll fluorescence of soybean pods in response to Fusarium verticillioides
-
摘要:
目的 种荚是大豆Glycine max防御霉菌侵染的第1道防线，部分大豆品种种荚具有极佳的田间霉变抗性，本研究目的在于寻找与豆荚霉变抗性相关的快速鉴定指标。 方法 采用叶绿素荧光成像技术，以高抗大豆‘QWT15-2’、中抗大豆‘E1’和易感大豆‘E314’为研究对象，对离体种荚接种轮枝镰刀菌Fusarium verticillioides，监测其叶绿素荧光参数变化情况。 结果 大豆种荚接种霉菌24 h后，通过叶绿素荧光成像系统可清晰观察到豆荚表皮病斑，叶绿素荧光参数发生显著变化。霉菌侵染后0~5 d，大豆种荚初始荧光参数初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)大幅降低，非光化学猝灭系数qN上升、QNP下降，最大光化学量子产量(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)及电子传递速率(RET)均呈下降趋势。 结论 高抗大豆‘QWT15-2’维持了较健康的组织形态，各荧光参数表现稳定；中抗大豆‘E1’和感病大豆‘E314’受霉菌侵染影响，其表皮组织破坏严重、荧光参数变化幅度大；其中Fv/Fm、Fm、Fv、qN和QNP荧光参数对霉菌侵染响应敏感，可作为评价大豆种荚田间霉变抗性的鉴定指标。图4参17 Abstract:Objective The current study, in order to establish the index for the rapid identification of the resistance of soybean pods, is focused on three cultivars of cultivars, namely the high-resistant cultivar ‘QWT15-2’, the medium-resistant cultivar ‘E1’ and the sensitive cultivar ‘E314’. Method The pods were first inoculated with Fusarium verticillioides in vitro, and then the changes of chlorophyll fluorescence parameters in pods were monitored with the employment of chlorophyll fluorescence imaging technology. Result After 24 hours of inoculation, the epidermal lesions of the pods were clearly observed through the chlorophyll fluorescence imaging system, and there was a significant change in the fluorescence parameters. To be specific, 0−5 days after mold infection, there was a significant decrease in the initial fluorescence parameters Fo, Fm, Fv of soybean pods, an increase in the non-photochemical quenching coefficient qN and a decrease in QNP, which was accompanied with an inclination of decline in the maximum photochemical efficiency Fv/Fm, actual photochemical efficiency ΦPSⅡ and electron transport rate RET. Conclusion The high-resistant culivar ‘QWT15-2’ maintained a relatively healthy tissue with stable fluorescence parameters. The medium-resistant cultivar ‘E1’ and the sensitive cultivar ‘E314’ were affected by mold infection with severe epidermal tissue damage and significant change in the fluorescence parameters. Fluorescence parameters such as Fv/Fm, Fm, Fv, qN and QNP are sensitive to mold infection and can be used as an indicator to evaluate the resistance of soybean pods in the field. [Ch, 4 fig. 17 ref.] -
Key words:
- soybean /
- pod /
- Fusarium verticillioides /
- chlorophyll fluorescence imaging /
- resistance identification
-
棉纤维是由外珠被表皮层的单细胞分化发育而成，分为长绒(lint)和短绒(fuzz)2种，长绒是高级棉纱纺织品的主要原材料，短绒主要用做制作纤维素、絮棉、纸张及纺织品的原料。在已有的四倍体棉种中，陆地棉Gossypium hirsutum和海岛棉Gossypium barbadense已经被驯化为栽培种[1-3]。目前世界上97%的棉纤维都产自陆地棉，产量高且适应性广，但是纤维品质中等；海岛棉产量低，适应性差，栽培范围不广泛，但是其纤维更长且品质高。如何获得优质高产的棉种，一直是遗传育种学家关注的焦点。而随着遗传学、细胞学和分子生物学等学科的交叉融合，棉纤维生长发育分子机制已成为国内外研究的热点。探明棉花种子表皮细胞生长发育的分子基础，对于提高棉花产量及改良纤维品质至关重要。早期有关棉纤维发育研究大多集中于遗传定位。大量与纤维品质和产量相关的数量性状位点(QTL)通过图位克隆的方法被发现于各个染色体[4-5]，而光子显性基因Li1，Li2，N1和Fbl以及光子隐性基因n2，sma-4(fz)和sma-4(ha)[6]等一直备受关注。近年来，深度测序技术的兴起，对棉纤维发育的分子机制的研究起了有效的推动作用。随着深度测序技术的不断革新，棉花全基因组测序不断完善[7]，全基因组微卫星序列得以注释[8]，单核苷酸多态性(SNP)芯片的开发成为可能[9]，使得遗传定位工作更加便捷[9-10]。转录组学、蛋白组学及表观遗传学领域三方位的深度测序有效构建了核糖核酸(RNA)水平和蛋白质水平、编码区域和非编码序列之间的联系，并发现一系列的转录因子、编码转脂蛋白的基因、钙信号转导相关基因、多糖合成相关蛋白、大量的微核糖核酸(miRNA)以及脱氧核糖核酸(DNA)甲基化作用等共同参与棉纤维发育过程[11-16]。本文将从棉纤维发育各时期的形态结构变化及特征，经典遗传学研究，深度测序技术在转录组学、蛋白组学及表观遗传学领域的运用，以及棉纤维发育各个时期所涉及的相关调控基因等4个方面对棉纤维发育机制的研究进展进行综述。
1. 棉纤维发育各时期的形态结构变化特征
棉纤维细胞发育进程是一个多基因调控的有序的系统发生过程，整个细胞分化过程可被分为棉纤维起始、伸长、次生壁合成与增厚、脱水成熟等4个时期[17-20]。
1.1 棉纤维起始期
长绒纤维细胞一般在开花前或开花当天就开始突起，而短绒纤维的突起要稍迟几天，两者的分化过程基本相似[21]。RAMSEY等[22]通过观察开花前16 d到开花当天胚珠的亚显微结构，发现开花前16 d到前3 d表皮细胞无差异，说明纤维原始细胞的分化与突起晚于开花前3 d。而在开花前2~3 d纤维原始细胞受生长素(IAA)和赤霉素(GA3)的刺激开始产生纤维[11]，开花当天，纤维原始细胞的分化与突起已基本完成。棉花纤维原始细胞分化与突起多少决定种子表面纤维数量，从而决定了棉纤维的产量。
1.2 棉纤维伸长期
研究发现一般只有25%~30%的棉花种子表皮细胞(约2万个)能正常突起伸长，形成成熟的纤维[23-24]。棉纤维的伸长几乎和突起同时进行，从开花当天开始，发生在细胞壁膨胀过程，纤维的最终长度取决于纤维伸长速率和持续时间2个方面[25]，一般持续20~30 d，该过程通过一种扩散生长机制实现并指导纤维细胞的极化生长[26-27]。纤维伸长分为非极性膨胀和极性伸长2个阶段：非极性膨胀期决定了纤维的细度，纤维细胞向四周扩展直至形成纤维的最终直径[28]；极性伸长期可使纤维长度达到最终长度的80%[29]，这一时期生化反应最为活跃，主要决定纤维的长度，是影响纤维品质的关键时期[24]。
1.3 棉纤维次生壁合成与增厚期
棉纤维次生壁合成与增厚期和纤维伸长期存在一段时期的重叠[17]，在开花后16 d开始，持续到开花后40 d，在这段时期，纤维素大量沉积，次生壁不断加厚[30]。伴随着纤维素沉积的加速，纤维伸长逐渐减弱，该过程是影响纤维强度和韧性的关键时期。
1.4 棉纤维脱水成熟期
在次生壁合成与增厚期后就进入了纤维脱水成熟期，发生在开花后40~50 d，棉铃开裂至充分吐絮，纤维失水，形成转曲[31]。成熟的棉纤维由外向内依次为初生壁、次生壁和中腔。
2. 棉花纤维生长发育的遗传学研究
遗传规律研究和基因遗传定位是经典遗传学中2项重要的基础工作。在棉纤维遗传规律研究中发现，相同性状的材料基因型不同，其遗传模式也不同，而棉纤维发育相关基因的遗传定位又可被分成质量性状和数量性状(QTL)的定位。
2.1 棉纤维遗传规律研究
CARVER[32]和KEARNEY等[33-34]研究发现棉花光子性状主要由2对独立的位点控制，显性光子基因(N1)和隐性光子基因(n2)，宋丽等[35]证实这2种光子基因均符合单基因遗传模型。既无长绒也无短绒的L40突变体的光子性状为不完全显性[36]。既无长绒也无短绒的突变体Xu142 fl的短绒的发育受N1和n2 2对基因控制，长绒的发育受Li3基因位点控制[37]。陆地棉短绒突变体Li1和Li2均为单基因显性遗传[38-40]。孙亚莉等[41]选取大量的陆地棉和海岛棉的光子材料对棉花光子性状进行了遗传分析，其研究发现棉花短绒多少与生态环境有关系，且不同品种光子材料的遗传模式也不同，不论海岛棉还是陆地棉材料均存在显性、部分显性和隐性遗传。对3个陆地棉隐性性状的材料进一步研究表明：这3个材料的遗传规律均不同，‘库光子’的光子性状由2对隐性等位基因控制，并且有互补效应；‘陆无絮’的光子性状由2对隐性等位基因控制，基因间呈积加作用；SA65的光子性状由单隐性基因控制。
2.2 棉纤维基因的QTL定位
纤维品质性状包括长度、整齐度、伸长率、强度、细度、颜色和马克隆值等多个方面。随着分子标记的不断开发与应用，在棉花染色体A组和D组染色体上都有大量棉纤维品质和产量相关的QTL被发现(表 1)。从表 1可知：纤维品质和产量性状的QTL几乎遍布了每一条染色体，且不同实验室使用不同的群体所得到的结果也有很大差异。同时，研究也发现这些性状受环境的影响很大，某些QTL在不同环境条件下有变化，甚至检测不到，导致已定位的QTL间重复性差[10, 42]，这也说明纤维品质及产量性状的遗传非常复杂。研究也发现了一些稳定的主效QTL，如第10号染色体的棉纤维强度主效QTL(FS1)，解释了超过30.00%的表型变异[43]；第19号染色体影响衣分的QTL(qLI17)，解释24.30%的表型变异[34]；第8号染色体上颜色相关QTL(Ge6_Rd_8_3_10.60_[+])，解释48.00%的表型变异[5]；以及第14号染色体上与长度相关的QTL(qFL-Chr14-3)，解释15.05%的表型变异[10]，等等。此外，有些QTL虽然微效，但在不同环境下都能稳定存在，比如WANG等[42]在8，11，12和21号染色上发现的6个QTL：qFL-A8-1(长度相关)，qFS-A8-1(强度相关)，qFS-A12-1(强度相关)，qFS-A12-2(强度相关)，qFS-D11-1(强度相关)和qFM-A11-1(马克隆值相关)。这些稳定存在的QTL都值得科研工作者进一步关注和研究。
表 1 不同群体中与棉纤维品质和产量相关的QTL分布Table 1. QTL related to cotton fiber quality and yield in different populations性状 QTL所在染色体或连锁群 检出限(LOD) 变异率1% 群体 出处 长度 Chr04，Chrl8，Chr22 2.00~2.74 7.80~12.60 陆地棉TM-1×海岛棉3-79的F2群体 KOHEL等[44] Chr20，LGA02(Chr08)，LGA03 (Chr11)，LGA05 2.63~5.40 2.90~13.70 陆地棉Siv’ on×海岛棉F-177的F2和F3群体 PATERSON等[4] Chr04 3.50 24.00 陆地棉Acala 44×海岛棉Pima S-7的F2群体 MEI等[45] Chr01，Chr03，Chr04，Chr06，Chr09，Chr13，Chr14，Chr18，Chr19，Chr20，Chr21，Chr23，Chr24，Chr26 3.30~9.50 6.00~40.00 陆地棉Guazuncho-2×海岛棉VH8-4602RIL LACAPE等[5] Chr05，Chr07，Chr08，Chr11，Chr12，Chr19，Chr21，Chr23，Chr26 4.57~6.05 2.47~8.49 陆地棉TM-1×海岛棉Hai7124的CSILs群体 WANG等[42] Chr10，Chr14，Chr15 2.50~7.71 6.21~15.05 陆地棉HS46 ×陆地棉MAR CABU-CAG8US-1-88 RIL LI等[10] 整齐度 Chr04，Chr14，Chr15，Chr22，LGA03 (Chr11)，LGA05 1.65~3.79 2.10~13.30 陆地棉Siv’on×海岛棉F-177的F2和F3群0体 PATERSON等[4] Chr05，Chr09，Chr12，Chr15，Chr16，Chr18，Chr19，Chr20，Chr23，Chr26 3.50~7.80 9.00~32.00 陆地棉Guazuncho-2×海岛棉VH8-4602 RIL LACAPE等[5] Chr09 2.68~4.17 5.58~10.94 陆地棉HS46 ×陆地棉MARCABU- CAG8US-1-88的RIL LI等[10] 伸长率 Chr05，Chr10，Chr15，Chr23，LGA02 (Chr8)，LGA03(Chr11)，LGD07 2.32~5.77 3.40~8.90 陆地棉Siv’on×海岛棉F-l77的F2和F3群体 PATERSON等[4] Chr09 5.16 42.00 陆地棉Acala 44×海岛棉Pima S-7的F2群体 MEI等[45] Chr02，Chr06，Chr09，Chr10，Chr12，Chr13，Chr15，Chr19，Chr20，Chr21，Chr23，Chr26 3.40~6.70 6.00~21.00 陆地棉Guazuncho-2×海岛棉VH8-4602RIL LACAPE等[5] Chr14，Chr20，Chr24 2.49~7.80 5.35~32.28 陆地棉HS46 ×陆地棉MARCABU-CAG8US-1-88 RIL LI等[10] 强度 Chr03，Chr14，Chr15，Chr25 2.08~2.69 10.40~23.10 陆地棉TM-1×海岛棉3-79的F2群体 KOHEL等[10] Chr10 4.79~5.80 53.00~53.80 异质棉7235×陆地棉TM-1的F2群体 ZHANG等[43] Chr01，Chr04，Chr14，Chr17，Chr18，Chr20，Chr22，Chr23，Chr25，LGA01 (Chr13)，LGA02(Chr08)，LGA03(Chr11)，LGA05，LGD02(Chr21)，LGD03(Chr24)，LGD04，LGD07 0.21~6.22 2.50~17.40 陆地棉Siv’on×海岛棉F-177的F2和F3群体 PATERSON等[4] Chr03，Chr04，Chr05，Chr07，Chr09，Chr12，Chr14，Chr15，Chr16，Chr18，Chr19，Chr21，Chr23，Chr26 3.30~8.50 7.00~31.00 陆地棉Guazuncho-2×海岛棉VH8-4602RIL LACAPE等[5] Chr05，Chr07，Chr08，Chr09，Chr11，Chr12，Chr13，Chr14，Chr15，Chr16，Chr17，Chr18，Chr21，Chr23 7.32~22.54 5.07~15.82 陆地棉TM-1×海岛棉Hai7124的CSILs群体 WANG等[42] 细度 Chr01，Chr02，Chr03，Chr12，Chr16，LGD01 2.16~4.04 16.70~43.90 陆地棉TM-1×海岛棉3-79的F2群体 KOHEL等[44] Chr02，Chr04，Chr05，Chr06，Chr09，Chr14，Chr15，Chr17，Chr20，Chr23，Chr25，LGA01 (Chr13)，LGA05，LGA06，LGD01，LGD02(Chr2l)，LGD03(Chr24)，LGD04，LGD05，LGD07 2.21~9.78 2.20~30.30 陆地棉Siv’on×海岛棉F-l77的F2和F3群体 PATERSON等[4] Not determined 5.11 43.20 陆地棉Acala 44×海岛棉Pima S-7的F2群体 MEI等[45] Chr01，Chr02，Chr03，Chr04，Chr05，Chr06，Chr08，Chr09，Chr10，Chr12，Chr15，Chr16，Chr17，Chr18，Chr19，Chr20，Chr21，Chr22，Chr23，Chr24，Chr25，Chr26 3.30~8.90 6.00~41.00 陆地棉Guazuncho-2×海岛棉VH8-4602RIL LACAPE等[5] 颜色 Chr06，Chr09，Chr14，Chr17，Chr18，Chr22，Chr25，LGA01，LGA02，LGA03，LGD02(Chr21) 2.66~11.67 2.50~14.90 陆地棉Siv’on×海岛棉F-177的F2和F3群体 PATERSON等[4] Chr01，Chr02，Chr06，Chr07，Chr08，Chr09，Chr11，Chr14，Chr15，Chr17，Chr18，Chr19，Chr21，Chr22，Chr25 3.30~10.60 6.00~48.00 陆地棉Guazuncho-2×海岛棉VH8-4602RIL LACAPE等[5] 马克隆值 Chr05，Chr06，Chr09，Chr11，Chr12，Chr15，Chr16，Chr19，Chr21，Chr22 4.56~9.09 0.80~8.03 陆地棉TM-1×海岛棉Hai7124的CSILs群体 WANG等[42] Chr14，Chr16 2.51~4.23 5.52~9.20 陆地棉HS46 ×陆地棉MARCABU- CAG8US-1-88 RIL LI等[10] 产量 A02(Chr08)，A03(Chr11)，Chr14，Chr23，Chr25，LG5 3.00~5.28 13.01~28.35 陆地棉Handan 208×海岛棉Pima 90的F2群体 HE等[46] 衣分 D08(Chr19) 3.45 24.34 陆地棉Handan 208×海岛棉Pima 90的F2群体 HE等[46] 然而，棉纤维相关性状QTL的分离和克隆仍然很少。有研究发现在第12条染色体上(A12/D12)与棉纤维品质相关的QTL附近的GhHOX3基因对棉纤维长度起重要调控作用[47]，以及定位于同源染色体A8(chr08)和D8(chr24)上的GhSusA1基因过表达可以增强纤维长度和强度[48]。
2.3 棉纤维基因的质量性状定位
在光子显性基因定位中发现，N1和Fbl基因位于chr12上[6]，其中N1基因被鉴定为转录因子MYB25-like[49]。光子隐性基因定位研究表明：n2定位在chr26上，sma-4(fz)位于L.G.A3的端部，sma-4(ha)位于L.G.A3中部[6]。超短纤维突变体Li1基因位于chr22上，并已通过精细定位被克隆到，是一个肌动蛋白家族基因[50-53]；而Li2基因则位于chr18上[6, 53]。
3. 棉纤维发育组学研究
棉纤维发育过程涉及到大量的基因和通路调控。利用高通量测序技术，对棉纤维发育的转录组和蛋白组分析及表观遗传研究，可以短时间内获得大量信息，捕获到许多参与不同发育阶段的特异性基因及信号通路，为下游单独研究重要基因的功能奠定良好的基础。
3.1 转录组学研究
利用棉花胚珠体外培养技术结合转录组数据分析比较，KIM等[11]在纤维起始分化时期发现了许多在野生型和无毛突变体间表达有差异的基因，包括MYB25，MYB109，PDF1，MYB25-like，HD1等转录调节因子，表明在棉纤维起始分化过程中存在复杂的信号网络调节机制。通过比较短绒突变体(Li1)与野生型之间在开花后1，3和8 d的转录组数据，LIANG等[49]在胚珠中共检测到7 852个差异表达基因，主要参与次生代谢物和脂质代谢途径，其中涉及非长链脂肪酸生物合成的37个基因在Li1突变体纤维的快速伸长发育过程中被显著抑制，这说明脂质代谢途径与纤维伸长密切相关。HOVAV等[54]评估了从开花后初级次生壁到次级次生壁合成过程中棉纤维发育的转录组变化发现，棉纤维发育过程中的基因转录水平很高，在每个阶段占到所有基因的75%~94%，并且半数以上的基因在纤维发育的至少一个阶段中上调。BOLTON等[55]利用基因芯片技术和实时荧光定量PCR技术在Li1突变体中发现超过100个基因在次生壁的生物合成过程中差异表达，其中的3个候选基因：伸展蛋白(extensin)，蔗糖合成酶(sucrose synthase)和微管蛋白(actin)的表达量明显偏离野生型的表达水平。通过陆地棉TM-1背景下的海岛棉染色体导入系与亲本纤维的转录组差异比较，FANG等[56]在CSIL-35431和CSIL-31010等2个导入系的次生壁合成过程中发现了大量与TM-1有表达差异的基因，功能富集分析表明这些基因主要富集于次生细胞壁的生物合成、葡糖醛酸合成、纤维素合成等生物途径。
3.2 蛋白质组学研究
利用蛋白组学研究，许多棉纤维发育过程中的重要蛋白被不断发掘，且此技术很好地互补了转录组只能在mRNA水平上研究纤维相关基因的劣势。HU等[12]应用相对和绝对定量(iTRAQ)LC-MS/MS分析技术研究了1 317个纤维特异性表达蛋白，其中205个蛋白在发育阶段中差异表达，190个蛋白在野生和栽培棉之间差异表达。结合转录组、iTRAQ蛋白质组和遗传图谱定位的综合分析方法，MA等[13]发现徐州142野生型与其无绒毛突变体(fl)的胚珠之间存在大量差异表达的基因和蛋白，这些差异基因和蛋白主要存在于氨基酸、核苷酸、脂肪酸和叶酸代谢以及黄酮生物合成中，说明这些代谢途径在纤维发育过程中具有重要作用。
3.3 表观遗传学研究
近年来，棉纤维发育的表观遗传学研究也取得了巨大进展。基于pre-miRNAs和已发现的miRNA靶基因数据，CHEN等[14]对83个miRNA前体及其目标调控基因进行了研究，并构建了miRNAs及其靶位点调控网络，并揭示了这些miRNA及靶基因在纤维不同发育阶段的表达模式。SONG等[15]对纤维和胚珠进行了甲基化组、转录组和小RNA组学分析，发现在胚珠和纤维发育过程中CHH甲基化变化显著。该研究发现，在胚珠中，启动子中的CHH甲基化与可诱导RNA依赖的DNA甲基化(RdDM)和胚珠偏好基因上调的siRNA呈正相关；在纤维细胞中，胚珠衍生细胞产生独立的RdDM的异染色质CHH超甲基化，抑制转座子及附近纤维相关基因的活性。使用甲基化抑制剂5-氮-2′-脱氧胞苷对胚珠进行体外培养，可以减少纤维细胞的数量和长度，这表明DNA甲基化在纤维发育中具有潜在作用。这些研究表明：启动子和转座子及附近基因中的RdDM依赖的甲基化可作为基因和转座子表达的双保险反馈机制。ZOU等[16]对参与纤维起始和伸长过程的长链非编码RNA(lncRNA)进行了系统分析，共鉴定到5 996条lncRNAs，其中长链非编码RNA(lincRNA)3 510条，天然反义转录RNA(lncNAT)2 486条，表明lncRNA对棉纤维的发育至关重要。
4. 棉纤维发育不同时期相关调控基因研究
4.1 棉纤维起始期相关基因
在棉花胚珠EST数据库中，约10%的基因与转录因子密切相关，包括56个转录因子家族成员[57]，如MYB类转录因子家族的GL1及其同源基因MYB2[58]，MYB109[59]，TTG1[60]和GL2[61]等均被发现在棉纤维发育的早期阶段高效表达。棉花GaMYB2基因可以诱导种子表皮毛的产生，且转化拟南芥可以弥补GL1突变对表皮毛起始分化造成的影响[58]。通过干扰GhMYB109的表达，PU等[62]发现棉纤维细胞分化延迟且起始数量减少，说明GhMYB109在棉花纤维分化阶段起重要作用。LOGUERICO等[63]发现GhMYB4和GhMYB5基因在纤维分化期的胚珠中特异表达。WALFORD等[64]发现GhHD1可以介导棉花表皮细胞的分化。辛婧[65]的研究表明转录因子GbSPB8可能调控棉花纤维起始发育。
4.2 棉纤维伸长期相关基因
转脂蛋白和钙信号转导相关蛋白在棉纤维伸长过程中起到极其重要的作用。MA等[66]研究发现：转脂蛋白GhLTP3和GhLTP6的表达量在纤维快速伸长期达到最高水平，此外李锡花等[67]发现GhLTP3的表达量从开花后0~15 d中表达量不断升高，在第15天达到顶峰，之后逐渐下降。赵存鹏等[68]和GAPPER等[69]研究发现：钙调蛋白CaM在低温逆境的条件下能使活性氧(ROS)、超氧游离基、过氧化氢和羟自由基等物质提高，进而使纤维细胞壁松弛，从而影响细胞伸长。CHENG等[70]发现GhCaM7-like基因在纤维快速伸长期显著表达。HUANG等[71]发现钙依赖性蛋白激酶GhCPK1在开花第10天的胚珠中高表达。这些研究都说明钙信号转导在纤维伸长过程中发挥重要作用。除了转脂蛋白和钙信号转导相关蛋白，转录调节因子也参与其中，如ZHANG等[72]发现GbMYB25与GbML1相互作用并通过调节ROS信号调节纤维伸长。HSU等[73]发现GhMYB7可以调控LTP3等脂转移蛋白编码基因。
4.3 棉纤维次生壁合成与加厚期相关基因
DELMER等[74]发现Rac9和Rac13可以控制棉花纤维素沉积方向。ZHAO等[75]发现GhRGP1在纤维发育的初生壁伸长及次生壁加厚后期优势表达，参与植物细胞壁非纤维素类的多糖合成。杨郁文等[76]发现一种Ser/Thr激酶和Try激酶的双受体蛋白GhRLK1与激活和维持次级细胞壁形成的细胞信号传导过程有关。此外，GhRDL1(RD22-Like1)与GhEXPA1互作会影响纤维细胞壁发育，GhRDL1基因过表达会产生长且质量较好的棉纤维[77]。
4.4 棉纤维脱水成熟期相关基因
目前，关于棉纤维细胞脱水成熟期的相关研究较少，对于纤维在脱水成熟过程中细胞与分子水平的变化还不清楚，只是猜想可能涉及到棉纤维细胞的程序性死亡[78]。
5. 研究展望
随着技术的革新，大量棉纤维发育相关基因和涉及的调控网络被不断发现，但是基因间的相互作用及其潜在的调控机制还有待进一步探索。近年来，棉花转基因技术日益成熟，新兴的CRISPR/Cas9基因编辑系统也于2017年3月在棉花基因组靶基因敲除中得到首次应用。JANGA等[79]利用CRISPR/Cas9系统成功将转绿色荧光蛋白(GFP)基因棉花系的GFP基因敲除；LI等[80]以棉花內源GhMYB25为目标基因，使用2种单导向RNA对该基因进行定点突变，突变率分别为100%和98.8%。这些研究表明：CRISPR/Cas9可以在棉花基因组上进行高效和高特异性地突变。随着新技术在棉花中的应用与成熟，棉纤维发育相关基因及其调控机制也有望有更多的发现。
-
图 1 接种轮枝镰刀菌后的种荚Fv/Fm和QNP成像及参数变化
Figure 1 Fv/Fm and QNP imaging and parameter changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
图 2 接种轮枝镰刀菌后的种荚初始叶绿素荧光参数变化
Figure 2 Initial chlorophyll fluorescence parameters changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
图 3 接种轮枝镰刀菌后种荚非光化学猝灭系数
Figure 3 Non-chemical quenching coefficient changes of soybean pods after inoculation with F. verticillioides
-
[1] 邓俊才,雷婷,钟蕾,等. 大豆主要农艺性状与收获期籽粒田间霉变抗性的相关及通径分析[J]. 大豆科学, 2015, 34(5): 837 − 842. DENG Juncai, LEI Ting, ZHONG Lei, et al. The correlation and path analysis between the main agronomic traits and the resistance of soybean to seed mildew in field during harvest season [J]. Soybean Sci, 2015, 34(5): 837 − 842. [2] 邓俊才,刘江,雷婷,等. 收获期籽粒田间霉变对大豆产量和品质的影响[J]. 中国油料作物学报, 2015, 37(1): 77 − 82. DENG Juncai, LIU Jiang, LEI Ting, et al. Effect of seed mildew in field on yield and quality of soybean during harvest season [J]. Chin J Oil Crop Sci, 2015, 37(1): 77 − 82. [3] LIU Jiang, DENG Juncai, YANG Caiqiong, et al. Fungal diversity in field mold-damaged soybean fruits and pathogenicity identification based on high-throughput rDNA sequencing [J]. Front Microbiol, 2017, 8: 779 − 790. [4] LIU Jiang, DENG Juncai, ZHANG Ke, et al. Pod mildew on soybeans can mitigate the damage to the seed arising from field mold at harvest time [J]. J Agric Food Chem, 2016, 64(48): 9135 − 9142. [5] 杨在东,马信,吴世文,等. 小麦NPR1-like基因的克隆及赤霉菌诱导下的表达分析[J]. 作物学报, 2013, 39(10): 1775 − 1782. YANG Zaidong, MA Xin, WU Shiwen, et al. Cloning of NPR1-like genes and their response to Fusarium graminearum infection in wheat [J]. Acta Agron Sin, 2013, 39(10): 1775 − 1782. [6] 李捷,冯丽丹,王有科,等. 尖镰孢菌(Fusarium oxysporum)侵染对枸杞光合和荧光参数的影响[J]. 中国沙漠, 2015, 35(6): 1565 − 1572. LI Jie, FENG Lidan, WANG Youke, et al. Effects of Infection by Fusarium oxysporum on photosynthetic and chlorophyll fluorescence parameters of Lycium sp. [J]. J Desert Res, 2015, 35(6): 1565 − 1572. [7] SUI Yuanyuan, YU Haiye, ZHANG Lei, et al. Chlorophyll fluorescence spectrum analysis of greenhouse cucumber disease and insect damage [J]. Spectrosc Spectral Anal, 2012, 32(5): 1292 − 1295. [8] BAURIEGEL E, GIEBEL A, HERPPICH W B. Rapid Fusarium head blight detection on winter wheat ears using chlorophyll fluorescence imaging [J]. J Appl Bot Food Qual, 2010, 83(2): 196 − 203. [9] LIU Lina, YU Haiyan, ZHANG Lei, et al. Rice blast prediction model based on analysis of chlorophyll fluorescence spectrum [J]. Spectrosc Spectral Anal, 2014, 31(4): 1003 − 1006. [10] BAURIEGEL E, HERPPICH W. Hyperspectral and chlorophyll fluorescence imaging for early detection of plant diseases, with special reference to Fusarium spec. infections on wheat [J]. Agriculture, 2014, 4(1): 32 − 57. [11] PEREZ C E, RODRIGUES FÁ, MOREIRA W R, et al. Leaf gas exchange and chlorophyll a fluorescence in wheat plants supplied with silicon and infected with Pyricularia oryzae [J]. Phytopathology, 2014, 104(2): 143 − 149. [12] 许培磊,范书田,刘迎雪,等. 山葡萄应答霜霉病侵染过程中叶绿素荧光成像的变化[J]. 园艺学报, 2015, 42(7): 1378 − 1384. XU Peilei, FAN Shutian, LIU Yingxue, et al. Image changes in chlorophyll fluorescence of Vitis amurensis in response to downy mildew [J]. Acta Hortic Sin, 2015, 42(7): 1378 − 1384. [13] 杨峰,黄山,武晓玲,等. 根腐病胁迫对大豆光谱特征和叶绿素荧光特性的影响[J]. 大豆科学, 2013, 32(4): 490 − 495, 500. YANG Feng, HUANG Shan, WU Xiaoling, et al. Effects of phytophthora root rot stress on canopy spectra reflectance and chlorophyll fluorescence characteristics of soybean [J]. Soybean Sci, 2013, 32(4): 490 − 495, 500. [14] 何金祥,黄宁珍,付传明,等. 烟草花叶病毒对烟草叶片光合特征和POD表达的影响[J]. 西北植物学报, 2009, 29(5): 867 − 873. HE Jinxiang, HUANG Ningzhen, FU Chuanming, et al. Photosynthesis characters and peroxidase activities of tobacco leaves infected by tobacco mosaic virus [J]. Acta Bot Boreal-Occident Sin, 2009, 29(5): 867 − 873. [15] BAKER N R. Chlorophyll fluorescence: A probe of photosynthesis in vivo [J]. Annu Rev Plant Biol, 2008, 59(1): 89 − 113. [16] LI Guangqing, XIE Zhujie, YAO Xueqin, et al. Studies on the relationship between chlorophyll fluorescence parameters and cold tolerance of cauliflower [J]. Acta Hortic Sin, 2010, 37(12): 2001 − 2006. [17] IKBAL F E, HERNANDEZ J A, GREGORIO B E, et al. Enhanced salt-induced antioxidative responses involve a contribution of polyamine biosynthesis in grapevine plants [J]. J Plant Physiol, 2014, 171(10): 779 − 788. 期刊类型引用(6)
1. 冯常辉，李林，张友昌，王琼珊，张教海，王孝刚，夏松波. 棉花纤维品质SNP标记研究进展. 湖北农业科学. 2024(S1): 5-9+13 . 
百度学术2. 龙遗磊，郑凯，齐静潇，蔡永生，邓晓娟，曲延英，陈全家. 海岛棉GbPIN1a基因的克隆与表达特性分析. 农业生物技术学报. 2022(11): 2086-2098 . 百度学术3. 孟超敏，耿翡翡，卿桂霞，周佳敏，张富厚，刘逢举. 陆地棉磷高效基因GhMGD3的克隆与表达分析. 浙江农林大学学报. 2022(06): 1203-1211 . 本站查看4. 闵凯丽，晁祥保，滕露，蔡永生，雷慧辰，严中建，郑凯，陈全家. 海岛棉GbHCT10基因的克隆与表达分析. 新疆农业科学. 2021(02): 206-215 . 百度学术5. 郭宝生，刘素恩，赵存鹏，王兆晓，王凯辉，李丹，刘旭，杜海英，耿军义. 转FBP7::iaaM基因陆地棉种质冀资139纤维品质性状杂种优势分析. 植物学报. 2021(02): 166-174 . 百度学术6. 赵柯柯，曲延英，段雅洁，石颖颖，范蓉，刘亚丽，陈全家. 海岛棉GbMYB5基因的克隆及表达分析. 分子植物育种. 2021(08): 2512-2520 . 百度学术其他类型引用(11)
-
-
链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20190325
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 2310
- HTML全文浏览量: 811
- PDF下载量: 36
- 被引次数: 17
