文：回溯档案

编辑：回溯档案

盐度是限制作物生产力的最重要环境因素之一，盐胁迫影响全球约2亿公顷的干旱和半干旱地区，并且由于气候变化，不科学的灌溉和过度施肥而变得越来越严重。

科学家和农学家花费了大量精力来改善和提高盐碱土的利用率。除了利用物理和化学方法降低含盐量外，通过现代分子手段筛选或培育高耐盐作物是解决现状的一种经济有效的方法。

在过去的几十年中，分子标记，转基因技术，转录组测序和基于单核苷酸多态性（SNP）的全基因组关联研究（GWAS）等几种方法已被用于研究耐盐性机制和挖掘植物中的精英等位基因。

GWAS广泛用于植物，因为它能够有效地将基因型与表型联系起来，并使用自然种群同时检测许多天然等位基因变异，在水稻中，通过筛选11种质上的6，361，920个SNPs。

报告了478个与活力指数（VI）和平均发芽时间（MGT）的胁迫敏感性指数（SSIs）相关的位点，这对未来的分子辅助育种具有提高胁迫耐受性的潜在价值。

棉花（棉属）由于其高耐盐性，可用于土壤复垦，作为盐碱土地的先驱作物，然而它的生长和发育仍然会受到不利盐条件的影响，土壤盐度为8至18 dS/m，导致棉花产量损失15%至55%。

因此，发现限制因素并识别耐盐反应途径中涉及的基因是提高棉花产量的有效途径。

许多作为棉纤维产量和质量以及种子油组成和蛋白质含量等性状基础的候选基因已被揭示。此外，在棉花中还进行了几项关于胁迫耐受性的研究。

使用145个简单序列重复（SSR）标记，检测到60个与4个耐盐相关性状相关的QTL。通过GWAS和RNA-seq分析，在棉花中鉴定出9个与耐盐性综合评价值相关的显著SNP。

通过测序基因分型（GBS）进行全基因组SNP分析，共鉴定出10个盐度相关性状的12个QTL，这些QTL中的16个候选基因可能在棉花耐盐性中起关键作用。

使用CottonSNP23K阵列，在陆地棉花幼苗期，代表7个基因组区域的17个SNP与两个耐盐相关性状（相对存活率和耐盐水平）显著相关，利用基因组重测序数据，报道了亚洲棉花在盐条件下与相对鲜重、相对茎长、相对含水量和耐盐综合指数相关的个富含SNP的区域。

一些研究集中在耐盐性状上，然而，很少有报道研究盐胁迫等胁迫条件下的纤维产量，尽管这对盐碱土壤利用具有更大的实用价值。

在目前的研究中，我们研究了皮棉产量的三个主要组成部分，单铃重（SBW），皮棉百分比（LP）和每株铃数（BNPP），在四种不同的盐条件下，具有不同来源的316种多毛木种质两年。

不同盐环境下57种皮棉产量组分的表型变异表明，BNPP是限制单株皮棉产量（LYPP）的主要限制因素。此外，通过应用413，个SNP进行GWAS分析，以鉴定与LP，SBW和BNPP相关的QTL和候选基因。

在目前的研究中，LP被系统地阐明为最稳定的性状，而BNPP最容易受到咸田条件的影响。研究结果为盐胁迫的机制提供了新的见解，以及提高耐盐性对棉铃数的改善如何提高棉花产量。

皮棉产量相关性状GWAS的

利用57，413个高质量SNP的基因型数据，对不同环境下的19个性状和BLUP值进行了GWAS，使用R包“mrMLM”中多位点混合线性模型（MLM）模型的“mrMLM”、“FASTmrMLM”、“FASTmrEMMA”、“pKWmEB”、“ISIS EM-BLASSO”和“pLARmEB”）。

总共有26条染色体上的8个定量性状核苷酸（QTN）被鉴定为与这三个性状显著相关，我们参考了先前报告中的连锁不平衡（LD）并计算了每条染色体的平均LD，进一步选择了最低的LD，约600 kb作为LD阈值，用于将QTN合并到同一QTL中。

151个多位点MLM模型在不同环境和BLUP下共检测到417个QTL，其中SBW的112个，LP的1446个和BNPP的1个QTL，对于每个性状，大多数QTL（SBW的235个，LP的65个和BNPP的9个）仅检测到一次，这意味着这些QTL容易受到环境条件的影响。

为了提高相关QTL的可靠性和稳定性，我们选择了在不同方法或环境中检测到三次或更多次的QTL作为稳定QTL进行进一步分析。结果，在SBW，LP和BNPP中分别发现了91，25和1个QTL。

与LP相关的基因

通过组织和器官转录组分析，我们从LP QTL中鉴定了182个基因，这些基因在纤维发育过程中具有主要表达，其中，29、35、73和45个基因分别在10 DPA、15 DPA、20 DPA和25 DPA下高表达。

此外，我们专注于所有四种盐条件下8个稳定QTL区域中的基因，并鉴定了10个主要在纤维发育过程中表达的基因，其中，编码称为PIN形成LIKES蛋白（PILS）的生长素转运促进剂家族成员的Gh_A05G2488位于高频相关QTL中，该QTL用多种方法和环境检测到21次。

棉花种子转移细胞富含胼胝糖，胼胝糖调节纤维伸长和次生壁增厚，Zhang表明，转录因子MYB103影响拟南芥花药发育过程中的胼胝糖溶解。

我们发现编码MYB03转录因子的Gh_D103G103位于高频相关QTL（D03：42299450-43，529，568）中，序列分析显示，两个与LP相关的QTN分别位于该基因的3739 bp上游和外显子（TM55217，D03：42973276）区域。

TM55217位点的单个核苷酸突变（从C到G）导致氨基酸从亮氨酸（L）变为缬氨酸（V），通过学生t检验，我们发现TM55216中A基因型的LP值明显高于G基因型。4b），并且TM55217中的G基因型明显高于C基因型。

两个QTN可以产生3个单倍型;H1：AG，H2：交流和H3：GC。AG和AC单倍型的LP值显著高于GC单倍型，然而AG和AC单倍型之间没有显着差异，这意味着QTN TM55216可能在LP中发挥更重要的作用。

植物材料及田间实验

本研究共使用了316个陆地棉花种质，包括从中国不同地区收集的303个品种/品系和从美国引进的13个地方品种，所有种质均由中国南京农业大学收集和保存，种植和调查自然种群的所有必要许可证均已从中国南京农业大学获得。

与BNPP相关的基因

BNPP的QTL很容易受到环境变化的影响，在所有四种盐条件下均未检测到重复的QTL，并且仅在一种或两种盐环境中鉴定出大多数QTL。例如，在盐条件C和D中鉴定出QTLs TM57617_TM57620和TM74225（D10：24.1-24.5 Mb，检测7次）。

然而，QTL TM52041_TM52044（D02：49.2–49.7 Mb，检测6次）仅在盐条件A中鉴定，QTL TM29006（A08：81.7–82.1 Mb，检测5次）仅在盐条件B中鉴定，这些结果表明，调节棉铃数量的基因在不同的盐条件下是不同的。

在盐胁迫下，棉花产量下降。既往研究报道，在盐胁迫条件下，SBW、LP和BNPP显著降低，本研究选取16种不同的田间土壤盐环境，重复79年，研究棉花种质皮棉产量成分。

通过表型分析，LP在不同盐条件下无显著变化。最高盐浓度的SBW略高于其他三种较低的盐浓度，这可能与BNPP的降低有关，值得注意的是，随着总盐含量的增加，BNPP显著降低，导致棉绒产量降低。

总体而言，与其他两个性状相比，BNPP是最容易受到盐胁迫影响的因素。与最低盐条件相比，最高盐条件可导致LYPP损失.%，这主要是由于BNPP的降低所致。

因此在盐胁迫下保持棉花中的铃数以保持较高的棉绒产量非常重要，此外，SBW、LP和BNPP性状之间的相关性较低，表明盐胁迫下不同的生物学过程调控着个性状。

通过改变棉花中耐盐基因的表达可以提高皮棉产量，例如在棉花中过表达AvDH1可以减少膜离子泄漏，并增加超氧化物歧化酶的活性，从而产生耐盐性和提高产量。

SNAC1的过表达属于胁迫相关的NAC转录因子超家族，可以通过促进根系发育和降低蒸腾速率来提高耐旱性和耐盐性，本研究首先报道了盐胁迫下棉花种皮棉产量成分的表型和GWAS分析。

研究发现，BNPP是影响盐碱土环境中棉绒产量的最重要因素，此外，我们鉴定了大量有助于提高盐条件下皮棉产量的精英等位基因，这些发现将有助于我们了解棉花耐盐性机制，为盐碱土环境中的育种品种提供改进。

结论

阐明盐碱土中棉绒产量组分的遗传变异对盐碱土利用具有更大的实用价值，本研究对316份不同盐条件下陆地棉种质的表型分析表明，棉花皮棉产量主要受铃数减少的影响。

通过GWAS分析，我们分别确定了42、91和25个稳定的QTL，分别用于SBW，LP和BNPP，此外分别鉴定出与LP改良纤维发育密切相关的PILS、RAB和MYB等10个候选基因，以及40个候选基因，如HKT1、POD和MAPK对盐环境中铃数的增加具有重要意义。

此外BNPP在高盐和低盐条件下的不同调控机制被富集，意味着不同盐条件下的调控复杂，本研究为理解棉花盐胁迫机制提供了新的见解，为提高盐胁迫下棉铃数的产量提供了基因资源。

参考文献

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