基于测序基因分型揭示陆地棉A04染色体调控烟粉虱抗性的QTL位点

《Scientific Reports》：Genotyping by sequencing reveals a chromosome A04 QTL governing whitefly resistance in upland cotton

为解决烟粉虱危害及棉花产量损失问题，研究人员利用测序基因分型(GBS)技术，在陆地棉A04染色体上鉴定到一个调控烟粉虱抗性的主效QTL位点qWC1_A04，并发现At4g27190和RPPL1等关键候选基因，为分子标记辅助育种培育抗虫棉花新品种提供了重要靶点。

　　

棉花，作为全球最重要的经济作物之一，其纤维是纺织工业的基石。然而，在棉花的整个生长周期中，一种看似微小却破坏力巨大的害虫——烟粉虱(Bemisia tabaci)，正严重威胁着棉花的产量与品质。烟粉虱不仅通过直接刺吸植物汁液导致植株衰弱，更可怕的是，它们还是多种植物病毒的传播媒介，引发如棉花曲叶病等毁灭性病害，造成巨大的经济损失。长期以来，农业生产中主要依赖化学农药来控制烟粉虱，这不仅增加了种植成本，还带来了环境污染、农药残留和害虫抗药性等一系列问题。因此，培育具有内在抗虫性的棉花品种，成为实现棉花产业可持续发展的关键。

传统的育种方法依赖于田间表型选择，过程漫长且效率低下。随着分子生物学的发展，科学家们开始探索利用基因技术来加速育种进程。其中，数量性状位点(QTL)定位是解析复杂性状遗传基础的有力工具。通过QTL定位，可以找到控制目标性状（如抗虫性）的染色体区域，并开发出与之紧密连锁的分子标记，从而实现分子标记辅助育种(MAS)，大大提高育种效率。然而，在棉花中，关于烟粉虱抗性的遗传机制研究尚不深入，特别是缺乏一个完整的、基于单核苷酸多态性(SNP)标记的QTL参考图谱，这限制了抗虫育种的精准性。

为了填补这一空白，来自巴基斯坦巴哈丁·扎卡里亚大学分子生物学与生物技术研究所(IMBB)的Obad Ul Rahman、Syed Bilal Hussain等研究人员，联合中国海南大学等机构，在《Scientific Reports》上发表了题为“Genotyping by sequencing reveals a chromosome A04 QTL governing whitefly resistance in upland cotton”的研究论文。该研究利用测序基因分型(GBS)技术，成功在陆地棉(Gossypium hirsutum)的A04染色体上鉴定到一个调控烟粉虱抗性的主效QTL位点，并挖掘出多个关键候选基因，为培育抗烟粉虱棉花新品种提供了宝贵的遗传资源和理论依据。

关键实验方法

本研究构建了一个由抗虫亲本(CA-12, AGC-555)和感虫亲本(GOMAL-105, SLS-87/175)杂交产生的F₂分离群体。研究人员首先在田间对F₂群体进行了包括烟粉虱数量、株高、单株花数、单株铃数、纤维品质等在内的全面表型数据采集。随后，利用测序基因分型(GBS)技术对F₂群体进行全基因组SNP标记开发，并利用JOINMAP软件构建了高密度遗传连锁图谱。基于连锁图谱和表型数据，研究人员采用复合区间作图(CIM)方法进行QTL定位分析，以鉴定与目标性状显著关联的染色体区域。最后，对定位到的QTL区间内的基因进行功能注释和同源比对，筛选出与抗虫和产量相关的候选基因。

研究结果

1. 遗传连锁图谱的构建

为了解析烟粉虱抗性的遗传基础，研究人员首先构建了一张高密度的遗传连锁图谱。通过对F₂群体进行GBS测序，共获得了3375个SNP标记。经过严格的质量控制，最终有996个高质量的SNP被用于图谱构建。这些标记被成功定位到19个连锁群（对应19条染色体）上，图谱总长度为3213.3 cM，平均标记密度为2.28 cM。其中，D06和D08染色体上的标记覆盖度最高，分别有38个和32个标记。这张图谱为后续的QTL定位提供了可靠的框架。

2. QTL分析

利用构建的连锁图谱和田间表型数据，研究人员进行了QTL定位分析。结果共鉴定出20个与不同农艺性状相关的QTL位点，这些性状包括单株花数(FP)、株高(PH)、单株铃数(BP)以及烟粉虱数量(WC)等。其中，一个位于A04染色体上的QTL位点qWC1_A04与烟粉虱抗性显著相关，其LOD值（似然比）为4.980，可解释25.0%的表型变异。此外，一个位于D09染色体上的QTL位点qFP1_D09与单株花数显著相关，其LOD值为5.944，可解释29.8%的表型变异。这些结果表明，烟粉虱抗性和单株花数这两个重要性状分别受到A04和D09染色体上主效基因的控制。

3. 候选基因的挖掘

为了进一步揭示qWC1_A04和qFP1_D09位点调控性状的分子机制，研究人员对这两个QTL区间内的基因进行了深入挖掘。在qWC1_A04区间内，共鉴定出211个基因。通过同源比对分析，研究人员发现该区间内存在与番茄中著名的抗虫基因Mi-1.2同源的基因，以及编码富含亮氨酸重复序列(LRR)结构域蛋白的基因（如At4g27190和RPPL1）。这些基因通常参与植物的免疫信号转导和病原体识别，暗示它们可能在棉花抵抗烟粉虱侵染的过程中发挥关键作用。在qFP1_D09区间内，共鉴定出166个基因，其中包括与植物激素代谢（如GUS1）和氧化胁迫响应（如MBD4L）相关的基因，这些基因可能通过调控花芽分化和发育来影响单株花数。

研究结论与意义

本研究通过GBS技术成功构建了陆地棉的高密度遗传连锁图谱，并鉴定出多个与农艺性状相关的QTL位点。其中，位于A04染色体上的qWC1_A04位点被证实是调控烟粉虱抗性的一个主效QTL。该位点内包含的At4g27190和RPPL1等候选基因，可能通过参与植物免疫信号转导和防御反应来赋予棉花对烟粉虱的抗性。同时，位于D09染色体上的qFP1_D09位点则可能通过调控植物激素代谢和胁迫响应来影响单株花数，进而影响产量。

这项研究的意义在于，它不仅为理解棉花烟粉虱抗性的遗传机制提供了新的见解，更重要的是，它开发了与抗虫性状紧密连锁的分子标记。这些标记可以立即应用于分子标记辅助育种，帮助育种家快速、准确地筛选出携带抗虫基因的优良单株，从而加速抗虫棉花新品种的选育进程。此外，本研究筛选出的候选基因为后续的功能验证（如基因编辑）和抗虫机理的深入研究提供了明确的目标。最终，这项研究将有助于减少棉花生产中对化学农药的依赖，推动棉花产业的绿色、可持续发展。