QTL картирование локусов и генов, контролирующих фотопериодическое цветение хлопчатника

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Хлопчатник возделывается в качестве прядильной культуры более чем в 70 странах мира1. Глобальное изменение климата приводит к снижению урожайности и ухудшению качества волокна хлопчатника, которая является одной из самых важных мировых сельскохозяйственных культур. Одним из источников для улучшения генетической базы, повышения урожайности и устойчивости к биотическим и абиотическим стрссс-факторам возделываемых сортов является гермплазма диких видов хлопчатника. Однако, многие дикие и примитивные разновидности хлопчатника, являются короткодневными растениями, чувствительными к фотопериодизму. Поэтому на практике широкое привлечение представителей гермплазмы диких видов в селекционные программы усложняет работу селекционеров по всему миру. Так как среди всех хлопкосеющих стран мира Узбекистан расположен в самой северной зоне, важной задачей в сфере хлопководства Республики является обеспечение созревания хлопчатника до наступления неблагоприятных погодных условий. В Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан2 намечены задачи по созданию новых сортов, приспособленных к местным почвенно-климатическим условиям. За годы независимости отечественными учеными выведен ряд новых сортов с высоким выходом и качеством волокна. Несмотря на это, повышение скороспелости сортов хлопчатника, по-прежнему, остается весьма актуальной задачей. Продуктивность, качество волокна и адаптируемость к почвенноклиматическим условиям новых сортов хлопчатника тесно связаны с высоким уровнем технологии их селекции. С появлением технологий молекулярного картирования локусов количественных признаков - QTL (Quantitative Trait Loci), возможности селекции по улучшению сельскохозяйственных культур значительно расширились. Появилось новое направление, так называемая «Маркер ассоциированная селекция» (МАС), целью которой является замена селекции по фенотипу на селекцию на уровне генотипа. Привлечение ценных генов, в том числе и генов, детерминирующих раннее цветение МАС-технологией в селекционные процессы, позволяет в перспективе генетически обогатить и улучшить современные сорта хлопчатника и тем самым обеспечить страну конкурентоспособной на мировом рынке продукцией. Эндемичный для Галапагосских островов истинно дикий вид - Gossypium darwinii Watt с тстраплоидным (ADs геном) хромосомным набором, имеет гены «засухоустойчивости», «устойчивости к нематоде», «качества волокна». Более того, согласно Fryxell Р.А. (1992) G.darwinii имеет потенциал произрастания на почвах с высокой засоленностью. Зная, что виды G.darwinii и G.hirsutum L. могут непосредственно скрещиваться друг с другом, а генетическое разнообразие хлопчатника G.hirsutum довольно узкое, выше перечисленные хозяйственно-ценные признаки G.darwinii можно было бы интродуцировать в G.hirsutum, для улучшения существующих сортов срсднсволокнистого хлопчатника. Идентификация генетических локусов, контролирующих фотопериодическую чувствительность вида G.darwinii, их картирование на хромосомах, поиск генов, детерминирующих цветение дает возможность интродуцировать хозяйственно-ценные гены данного вида в желаемый генотип с использованием МАС-технологии и на этой основе создавать элитные сорта. Данное диссертационное исследование в определённой степени служит выполнению задач, предусмотренных Постановлением Президента Республики Узбекистан № ПП-2484 «О размещении сортов хлопчатника и прогноз объема заготовки хлопка сырца» от 1 февраля 2016 года, в Указе Президента Республики Узбекистан № У П-4947 «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» от 7 февраля 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является идентификация генов цветения хлопчатника, картирование локусов количественных признаков, ассоциированных с чувствительностью этой культуры к фотопериодизму с помощью SSR- и CAPS маркеров, а также поиск в маркированных регионах генов-кандидатов, принимающих участие в механизме фотопериодического цветения хлопчатника. Научная новизна исследования заключается в следующем: впервые для хлопчатника были разработаны новые специфичные CAPS и dCAPS маркеры для двух фитохромных генов из семейства PHY и гена HY5; охарактеризованы и картированы кандидатные маркеры для генов цветения PHYA, PHYB и HY5, контролирующие и регулирующие фотопериодическое цветение хлопчатника; определена хромосомная локализация исследованных ген-специфичных CAPS маркеров с помощью генетических карт сцепления и цитогенетических коллекций хромосом-замсщснных линий хлопчатника; впервые получена специфическая сегрегирующая по признаку фотопериодической чувствительности популяция хлопчатника, путем скрещивания дикой чувствительной к фотопериодизму формы вида G.darwinii Watt, с мутантной нс чувствительной к фотопериодизму линией; впервые созданы молекулярно-генетические карты хлопчатника с помощью ДНК-маркеров и специфической популяции вида G.darwinii сегрегирующей по признаку фотопериодической чувствительности; впервые проведено молекулярно-генетическое картирование QTL-локусов, ассоциированных с признаком цветения и фотопериодической чувствительности, а также с некоторыми морфо-биологическими признаками у вида G.darwinii', определены позиции идентифицированных QTL-локусов в геноме G.hirsutum методом in silico ПЦР; аннотированы гены-кандидаты, связанные с фотопериодической чувствительностью хлопчатника с использованием база данных и вебприложений BLAST, AUGUSTUS. Выводы На основе проведенных исследований по докторской диссертации на тему «QTL картирование локусов и генов, контролирующих фотопериодическое цветение хлопчатника» представлены следующие выводы; 1. На основе секвенса генов фитохрома А, В (PHYA, PHYB) и фактора транскрипции /7У5 созданы ген-спсцифичсские маркеры, позволившие осуществить картирование с более «высоким разрешением» и насыщение генетической карты тетраплоидного хлопчатника новыми молекулярными маркерами. 2. Выявлена достоверные (LOD>4) ассоциации PHYA, PHYB и HY5 ген-специфичных маркеров с признаками «качества волокна», указывающие на потенциальную роль PHYA, PHYB и HY5 генов в регулировании параметров качества хлопкового волокна. 3. Определено хромосомное местоположение генов PHYA, PHYB и HY5 на генетической карте сцепления тетраплоидного хлопчатника с использованием CS-B линий хлопчатника. 4. Создана специфическая, сегрегирующая по признаку «фотопериодическое цветение» популяция хлопчатника путем скрещивания фотопсриод-чувствительной дикой формы вида G.darwinii L. и её нейтрально-дневного мутанта, полученного методом радиационного мутагенеза. Изучены фенотипические свойства гибридов F2 и Ғз поколений, сегрегирующих по фотопериодической чувствительности. 5. Определен молекулярно-генетические полиморфизмы среди родительских генотипов с использованием SSR- и ген-спсцифичных CAPS- маркеров. Из общего числа маркеров, подвергнутых скринингу, 212 SSR (20%) и три пары CAPS праймеров (30%) выявили полиморфизмы между родительскими генотипами. Отобранные полиморфные SSR маркеры амплифицировали в общей сложности 386 маркерных локусов. Количество локусов варьировало от 2 до 4 со средним значением -1,82 локуса на один маркер. 6. Идентифицированы QTL-локусы, ассоциированные с такими признаками, как продолжительность цветения, время цветения, закладка первой плодовой ветки, количество бутонов, общее количество узлов, высота растений, количество симподиальных и моноподиальных ветвей, интенсивность антоцианового загара, опущснность стебля и т.д. 7. С использованием метода in silico ПЦР аннотированы гены-кандидаты цветения, локализующиеся внутри или вблизи идентифицированных QTL-локусов. Обоснована возможность участия выявленных генов в регуляции и проявлении признака «фотопериодическое цветение» хлопчатника.