全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(9): 1637−1645 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展规划(973)项目(2006CB101708)和高等学校创新引智计划(B08025)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 张天真, E-mail: cotton@njau.edu.cn; Fax: 025-84395307
第一作者联系方式: E-mail: zhuxxshz@126.com
Received(收稿日期): 2008-12-09; Accepted(接受日期): 2009-04-24.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01637
中棉所 12及其选系配制的 4个杂交棉幼苗期基因差异表达
朱新霞 1,2 朱一超 1 艾尼江 1 刘任重 1 张天真 1,*
1 南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室 / 棉花研究所, 江苏南京 210095; 2 石河子大学生命科学院, 新疆石河子
832000
摘 要: 以与中棉所 12及其 2个选系为亲本组配的 4个杂交棉中棉所 28、中棉所 29、湘杂棉 2号和冀棉 18苗期的
根和顶端叶为研究材料, 采用 cDNA-AFLP 技术分析苗期杂交棉与亲本的根和叶基因差异表达, 并用 Quantitative
Real-Time 技术加以验证。结果表明：(1)在 4 个杂交组合中, 中棉所 12 选系是营养生长杂种优势高值亲本; (2)杂交
种和亲本间存在显著的基因表达差异, 可分为杂交种上调、单亲显性、单亲沉默、杂交种下调 4种表达型。4个杂交
组合在三叶期根和叶中差异表达基因的 4 种类型比例趋势基本一致, 单亲差异表达型(包括显性和沉默表达)在根和
叶中所占比例较高, 杂种下调表达型所占比例较低, 反映出苗期单亲差异表达型在杂种优势形成中起主要作用; 叶
部差异表达基因数目和比例(29.20%~46.09%)比根(15.65%~22.49%)高的多, 说明叶中基因差异表达可能比根中基因
差异表达对杂种优势形成作用更大; (3)高值亲本中棉所 12选系与杂交棉共同表达的基因多于低值亲本与杂交棉共同
表达的基因, 从分子水平上证明中棉所 12选系在杂交棉冀棉 18、中棉所 29和中棉所 28的苗期营养生长杂种优势产
生中起优势亲本的作用; (4) 4种杂交组合差异表达基因(包含叶和根)占总表达基因的 27.00%~34.56%, 分析差异表达
基因类型和 4个杂交组合的关系发现, 超显性效应占 3.30%~7.17%, 超低亲效应占 2.62%~4.14%, 低亲效应占 5.65%~
13.03%, 显性效应和加性效应是主要的杂种优势效应, 占 79.52%~83.79%。多种杂种优势效应的并存说明杂种优势可
能是多基因共同作用产生多种效应的结果; (5)超亲优势组合中棉所 28的超显性效应占 7.17%, 明显高于其他 3个表
现中亲优势组合, 说明杂交种上调表达型可能对苗期杂种优势产生起重要作用。
关键词: 中棉所 12; 杂交棉; 基因差异表达
Gene Differential Expression at Seedling Stage in Four Cotton Combinations
Hybridized by CRI-12 and Its Pedigree-Derived Lines
ZHU Xin-Xia1,2, ZHU Yi-Chao1, AI Ni-Jiang1, LIU Ren-Zhong1, and ZHANG Tian-Zhen1,*
1 National Key Laboratory of Crop Genetics & Germplasm Enhancement / Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 College of Life
Science, Shihezi University, Shihezi 832003, China
Abstract: CRI-12, an Upland cotton variety with high yield, elite fiber quality and disease resistance, is characterized by its high
heritability, combining ability, and genetic stability. CRI-12 and its pedigree-derived lines were used to develop high heterosis
cotton hybrids, such as Zhongmiansuo 28, CRI-29, XZM2, and Jimian 18. The roots and leaves at seedling stage of these hybrids
and their corresponding parents were sampled for cDNA-AFLP analysis and validation by Quantitative Real-Time PCR. The re-
sults were as follows: (1) CIR-12 played a predominant role in the heterosis of vegetative growth in CRI-28, CRI-29, and
Jimian18 at seedling stage. (2) Four differential expression types were detected between the hybrid and its parents: I. Up expres-
sion only showed in hybrid but not in both parents; II. Dominant expression showed in one of the parents but not in F1 and another
parent, including the expression pattern in female parent and hybrid not in male parent, and the expression pattern in male parent
and hybrid not in female parent; III. The gene silenced in one of the parents, including the expression pattern in male parent not in
hybrid and female parent and the expression pattern in female parent not in hybrid and male parent; IV. Down expression showed
in both parents but not in the F1 generation. The tendency of proportion in four types was consistent and showed a high ratio in
dominant expression and silencing in single parent, but a low ratio in down expression in roots and leaves of hybrids. The type
expressed only in one parent and F1 or only in one parent played main role in heterosis. Differential expression genes in leaves and
1638 作 物 学 报 第 35卷

roots accounted for 29.20–46.09% and 15.65–22.49%, respectively. The differential expression genes in leaves were more than
those in roots, indicating that some genes play more important roles for heterosis than these in roots. (3) Genes co-expressed be-
tween hybrids and high value parent CRI-12 and/or its derived lines were much more than those between hybrids and the relative
low value parents, indicating that CIR-12 plays a predominant role in the expression of genes responsible for heterosis in CRI-28,
CRI-29, and Jimian 18 at seedling stage. (4) Differentially expressed genes in the four hybrids accounted for 27.00–34.56% of
total genes detected. Further analysis revealed that the main modes of gene action involved in hybrids were additive and dominant
effects accounting for 79.52–83.79%, and the effect of over-dominance accounting for 3.30–7.17%, under-dominance effects ac-
counting for 2.62–4.14% and low-parent dominance effects accounting for 5.65–13.03%. All possible modes of gene action
co-existed supported the hypothesis of multiple gene mechanisms contributed to heterosis. (5) The over-dominance effect in
CRI-28 which express high parent was 7.17%, which was higher than that in other three middle heterotic crosses at three earlier
growing stages. The result suggests that the differential expression type expressed only in F1 play an important role in heterosis of
vegetative growth.
Keywords: CRI-12; Hybrid cotton; Differential expression gene
两个基因型不同的亲本杂交, F1 代产生杂种优
势, 尽管杂种一代的所有基因均来自两个亲本, 其
性状表现却与亲本不同, 尤其是杂种一代的一些重
要经济性状表现出超亲优势, 其在表型上的变化可
能与杂种、亲本之间基因表达上的差异有关[1-2], 即
基因表达方面存在的差异[3]是导致产生杂种优势的
重要原因。
中棉所 12 是以乌干达 4 号为母本与邢台 6871
杂交, 选其优系于枯、黄萎病圃连续定向选择多系
混合而成[4], 是我国首次攻克抗病、高产、优质三者
不易结合的难关而育成的优质、抗病、高产品种, 成
为我国育成品种中推广面积最大、应用时间最长、
适应性最广、经济效益和社会效益最高的品种。该
品种不但各主要农艺性状组合较好, 而且具有较强
的遗传力、配合力和遗传稳定性。至 2002年, 直接
利用中棉所 12作亲本, 先后育成品种(系) 84个, 其
中国家和省级审定品种 36 个, 杂交棉 7 个, 抗虫棉
品种 6 个, 表现高产优势, 作为棉花育种的种质材料,
显示了巨大的应用价值[5]。目前关于杂交棉和中棉所
12 选系的大量研究主要集中在遗传育种和生理生化方
面, 分子水平探讨中棉所 12作为杂交种选育的骨干
亲本的研究鲜见报道, 随着分子生物学研究手段的
日益提高和完善, 从分子水平上探讨中棉所 12 在杂
交棉杂种优势产生中的作用具有重要意义。
cDNA-AFLP 是在转录水平研究基因差异表达
的有效技术之一, 具有灵敏度高、重复性好的特点[6]。
高丰度表达的基因转录本经 cDNA-AFLP 扩增后条
带的强弱能定性地直接反映出基因表达量的差异 ,
得到的转录衍生片段(trivially distributed file system,
TDFs)可最大限度地提供基因编码区的信息[7], 作为
一种研究基因差异表达的高通量技术, 因其可对基
因表达状况进行系统筛选、阳性率高而被许多研究
者采用。
杂种优势可以表现在植物生长和发育的各个阶
段。在苗期杂交棉与常规棉品种相比, 表现为棉苗
长势强、株高日增量大、出叶速度快、叶面积大, 有
较强的营养生长优势。邢朝柱等[8]用 DDRT-PCR 技
术分析了中棉所 47与亲本苗期根、叶基因表达差异
和产量性状及苗期基因表达差异与产量性状优势之
间的关系, 发现苗期单亲基因表达一致型可能对杂
交种后期单株成铃数的增加有较大的贡献, 苗期基
因表达差异与杂种优势的形成存在着密切关系。本
研究运用 cDNA-AFLP 技术, 对杂交棉与亲本在苗
期不同组织(根和叶片)基因表达模式及苗期基因表
达差异与营养生长杂种优势进行分析, 以期为研究
优势亲本在杂种优势中的重要作用和基因功能与杂
种优势的关系提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
以中棉所 12及其 2个选系为亲本与其他 4个材
料组配的 4个杂交棉中棉所 28(中棉所 12×中 4133),
中棉所 29 (P1×中 422-RP4), 湘杂棉 2 号(中棉所 12
系选×8891), 冀棉 18(56系×石 711-22)共 11个材料[9]
苗期的根和顶端叶为研究材料。2007年 4月, 7个亲
本和 4个杂交棉各在人工气候箱育苗 20株, 采用透
明营养钵, 内装珍珠岩和蛭石, 16 h光照/8 h黑暗, 3
片真叶平展时, 将植株地上部分和地下部分分别在
80℃烘 72 h后测定干重, 计算杂种优势(中亲优势、
对照优势), 中亲优势(%)=(F1–双亲平均)/双亲平均
×100, 对照优势(%)=(F1–对应亲本中棉所 12选系)/对
应亲本中棉所 12选系×100。同时取其幼苗期(三叶期)
顶端平展叶及幼苗期根提取 RNA。
1.2 总 RNA提取和纯化
参照蒋建雄等[10]的方法, 以 1.0%琼脂糖凝胶电
泳和紫外分光光度计检测 RNA质量、纯度及其含量。
第 9期 朱新霞等: 中棉所 12及其选系配制的 4个杂交棉幼苗期基因差异表达 1639


1.3 cDNA合成及模板制备
以提取的总 RNA为模板, 用M-MLV 反转录酶
合成第一链 cDNA, 再以第一链 cDNA 为模板按
M-MLV RTase cDNA Synthesis Kit [宝生物工程(大
连)有限公司]手册方法合成 cDNA第二链。
1.4 cDNA-AFLP
参照 cDNA-AFLP程序[7], 用限制性内切酶 Mse
I和 Eco RI消化等量的双链 cDNA, 然后与两种接头
连接, 以 M0 和 E0 为引物进行预扩增, 将预扩增产
物稀释 20倍后用含有 2个选择性碱基的引物(E1-16,
M1-16)进行选择性扩增, 产物经 6.0%聚丙烯酰胺凝
胶电泳、硝酸银染色。所用引物为 M0 5′-GATGAGT
CTAGAACGGT-3′; E0 为 5′-GACTGCGTACCAATT
CA-3′; M1-16为 5′-GATGAGTCTAGAACGGTNN-3′;
E1-16 为 5′-GACTGCGTACCAATTCANN-3′(N 为任
一碱基)。PCR 扩增程序为 94 4 min; 94 30 s, ℃ ℃
65 30 s, 72 60 s, 12℃ ℃ 个循环, 每个循环递减 0.7 , ℃
94 30 s, 56 30 s, 72℃ ℃ 60 s, 23℃ 个循环。
1.5 cDNA扩增产物的分离和克隆
从聚丙烯酰胺凝胶上切下具有明显多态性的条
带, 加入 50 μL ddH2O, 100℃水浴 10 min。取 2 μL
上清液作为模板, 用与选择性扩增相同的引物进行
PCR, 扩增条件为 94 2 min; 94 30 s, 56 30 s, ℃ ℃ ℃
72 30 s, 30℃ 个循环; 72℃延伸 8 min。用 1.2%的琼
脂糖凝胶电泳检测扩增产物的真实性。
参照 Sambrook等[11]的方法, 用 pMD18-T Clone
kit [宝生物工程(大连)有限公司]克隆差异片段。取 3
μL 二次扩增产物和 pMD18-T 载体 16℃连接过夜,
然后将 5 μL连接产物转化到 50 μL大肠杆菌感受态
细胞 DH5α 中, 将转化后的感受态细胞均匀涂到含
X-gal 和氨苄青霉素的 LB 固体培养基上, 37℃倒置
培养过夜。挑取白色菌落于 3 mL LB/氨苄青霉素液
体培养基中, 37 180 r min℃ −1振荡培养 5 h, 采用引
物扩增方法进行鉴定, 将阳性克隆送金思特(南京)
公司测序。用 DNAStar软件去除载体后, 采用 NCBI
网站的Blastx和Blastn对测序结果进行同源性比对。
1.6 q-PCR验证
为了验证 cDNA-AFLP 结果, 采用 q-PCR 进行
验证。RNA提取和纯化方法同上, 将 2 μg RNA用
M-MLV 反转录酶 (TaKaRa)反转录合成 cDNA。
qRT-PCR 用 SYBR Green dye (BIORAD)在 iCycler
iQ5 detection system (BIORAD, München, Germany)
反应, 每个样本重复 3次, EF1α作为内标, 用 2–ΔΔCt
方法[12] (Livak等)计算每个基因转录量。qRT-PCR扩
增程序为 95 3 min; 95 10 s, 56 30 s, 72 40 s, ℃ ℃ ℃ ℃
40个循环; 72 10 min℃ 。
2 结果与分析
2.1 4个杂交棉苗期营养生长杂种优势的表现特性
表 1 表明, 冀棉 18、中棉所 29、湘杂棉 2 号 3
个杂交棉表现正向超中亲优势, 中棉所 28杂交棉表
现超亲优势。其中冀棉 18 P1的地上部分干物质重量
比冀棉 18 P2高 64.73%, 比冀棉 18高 22.92%, P1的
地下部分干物质重量比 P2高 54.00%, 比冀棉 18 高
8.41%, 是冀棉 18的高值亲本; 中棉所 29 P1的地上
部分干物质重量比中棉所 29 P2高 12.75%, 比中棉
所 29 高 5.02%, P1的地下部分干物质重量比 P2高
34.22%, 比中棉所 29 高 13.32%, 是中棉所 29 的高
值亲本; 中棉所 28 P1地上部分干物质重量比中棉所
28 P2低 0.89%, 比中棉所 28低 19.03%, P1的地下部
分干物质重量比 P2高 35.74%, 比中棉所 28低 4.67%,
是中棉所 28的高值亲本。
湘杂棉 2号 P1的地上部分干物质重量比湘杂棉
2号 P2低 5.17%, 比湘杂棉 2号低 5.02%, P1的地下
部分干物质重量比 P2 低 19.73%, 比湘杂棉 2 号低
12.38%, 是湘杂棉 2 号的低值亲本。即在 4 个杂交
组合中, 中棉所 12 选系在冀棉 18、中棉所 29 和中
棉所 28中是高值亲本, 对这 3个杂交棉的杂种优势
的产生起重要的作用。
杂交棉冀棉 18 和中棉所 29 与相应亲本中棉所
12 选系相比优势(对照优势)都是负值, 杂交棉中棉
所 28 和湘杂棉 2 号与相应亲本中棉所 12 选系相比
优势都是正值, 其中, 中棉所 28 与相应的亲本中棉
所 12选系相比表现出超亲优势, 同为中亲优势表现
的杂交棉冀棉 18、中棉所 29和湘杂棉 2号与相应的
亲本中棉所 12 选系相比前两者表现负优势而后者表
现正优势, 这是由于中棉所 12和杂交棉冀棉 18, 中
棉所 29属于黄河流域棉区棉种, 而湘杂棉 2号及其
父本荆 8891属于长江流域棉区棉种, 具有苗期发芽
势强、子叶大、根系发达、长势旺盛等特点。
2.2 杂交棉及其亲本苗期根和叶基因表达分析
为研究杂交棉和亲本之间基因表达差异, 将杂
交棉及其亲本的基因表达方式分为 5 大模式和 7 种
类型(图 1)。I: 杂交种上调表达, 扩增强带仅出现在
杂交棉, 双亲无; II: 单亲显性表达, 扩增强带在双
亲之一和杂交棉中出现 , 而在另一亲本中不出现 ,
1640 作 物 学 报 第 35卷

表 1 杂交棉及其亲本苗期营养单株干重
Table 1 Dry weight of plant in hybrids and parents at seedling stage (g)
材料
Material
地上部分
Above-ground
地下部分
Below-ground
全株
Indiviual
P1 0.2570±0.0699 0.0398±0.0045 0.2968±0.0715
P2 0.2593±0.0451 0.0293±0.0047 0.2887±0.0477
F1 0.3060±0.0663 0.0417±0.0091 0.3476±0.0673
中亲优势 Mid-parent heterosis
(%)
18.50 20.55 18.75
中棉所 28
CRI-28
对照优势 Control heterosis (%) 17.98 4.68 17.11

P1 0.3630±0.0734 0.0511±0.009 0.4140±0.0795
P2 0.2204±0.0563 0.0332±0.0068 0.2535±0.0569
F1 0.2953±0.0692 0.0471±0.0087 0.3424±0.0705
中亲优势 Mid-parent heterosis
(%)
1.25 11.84 2.58
冀棉 18
Jimian 18
对照优势 Control heterosis (%) –18.64 –7.76 –17.30

P1 0.2394±0.0524 0.0359±0.0056 0.2753±0.0531
P2 0.2123±0.0396 0.0268±0.0075 0.2391±0.0435
F1 0.2279±0.0272 0.0317±0.0034 0.2596±0.0263
中亲优势 Mid-parent heterosis
(%)
0.91 1.14 0.95
中棉所 29
CRI-29
对照优势 Control heterosis (%) –4.78 –11.76 –5.69

P1 0.2570±0.0699 0.0398±0.0045 0.2968±0.0715
P2 0.2703±0.0419 0.0476±0.0052 0.3180±0.0403
F1 0.2699±0.0393 0.0447±0.0037 0.3147±0.0374
中亲优势 Mid-parent heterosis
(%)
2.37 2.29 2.36
湘杂棉 2号
XZM 2
对照优势 Control heterosis (%) 5.02 12.38 6.01
杂交棉母本中棉所 12选系统一简称为 P1, 父本简称为 P2, 杂交种简称为 F1。
P1: female parent of hybrids, CRI-12. P2: male parent of hybrids, F1: hybrids.

包括母本、杂交棉中有而父本无和父本、杂交棉中
有而母本无两种类型; III: 单亲沉默表达, 扩增强带
仅出现在亲本之一, 包括仅母本有而其他无和仅父
本有而其他无两种类型; IV: 杂交种下调表达, 双亲
都有扩增强带而杂交棉没有; V: 基因单态表达, 扩
增强带在双亲和杂交棉中均出现。其中 I~IV型为差
异表达基因类型。
4 个组合杂交棉冀棉 18、中棉所 29、湘杂棉 2
号和中棉所 28 与其亲本苗期根和叶部位基因表达表
达类型比例如表 2。从表 2可以看出, 4个杂交组合
在三叶期根和叶中差异表达基因的 4 种类型比例趋
势基本一致 , 单亲差异表达型(包括显性和沉默表
达)在根和叶中所占比例较高, 杂种下调表达型所占
比例较低, 反映出苗期单亲差异表达型在杂种优势



图 1 杂交棉与亲本苗期基因表达类型
Fig. 1 Gene expression types of cotton hybrid and its parents at seedling stage
每种类型从左到右 3条带分别为母本、杂交棉和父本。
Each type of 3 bands from left to right represents female parent, hybrid, and male parent, respectively.
第 9期 朱新霞等: 中棉所 12及其选系配制的 4个杂交棉幼苗期基因差异表达 1641


形成中起主要作用; 在根和叶的基因差异表达丰富程
度上, 叶部差异表达基因数目和比例(29.20%~46.09%)
比根(15.65%~ 22.49%)高得多 , 说明叶中基因差异
表达可能比根部基因差异表达对杂种优势形成的作
用更大; 在三叶期基因差异表达中, 除了湘杂棉 2
号外, 其他 3个杂交组合中的中棉所 12单亲显性表
达型比例高, 而沉默表达型所占比例低, 与中棉所
12是高值亲本的表现一致, 说明中棉所 12选系在 4
个杂交棉苗期杂种优势产生中起主导作用。结合三
叶期 4 个杂交组合的干重(表 1)和基因差异表达(表
2)分析, 发现高值亲本中棉所 12 选系与杂交棉共同
表达的基因要多于低值亲本与杂交棉共同表达的基
因(1.10~7.07倍), 在杂交棉沉默表达的基因要少于低
值亲本在杂交棉沉默表达的基因(0.33~0.75 倍), 在
4个杂交组合中棉所 12选系在杂交棉表达的基因与
在杂交棉沉默表达的基因之差(P1F1–P1)分别为 7.48%、
1.87%、–2.38%和 5.59%, 而相对应的另一亲本在杂
交棉表达的基因与在杂交棉下调表达的基因之差
(P2F1–P2)分别为–6.42%、–2.66%、3.18%和–0.82%,
即高值亲本中棉所 12 选系在杂交棉表达的基因明
显高于另一亲本, 从分子水平上证明了中棉所 12选
系在杂交棉冀棉 18、中棉所 29和中棉所 28的苗期
杂种优势产生中起优势亲本的作用。
杂交种上调表达型即扩增强带仅出现在杂交棉
而非双亲, 表明在杂交棉中扩增带基因比双亲中表
达的强, 表现超显性效应; 杂种下调表达型即双亲
都有扩增强带而杂交棉没有, 表明在双亲中扩增带
基因比杂交棉中表达的强和多 , 表现超低亲效应 ;
单亲显性表达型即扩增强带在双亲之一和杂交棉中
出现, 而在另一亲本中不出现, 包括母本、杂交棉中
有而父本无和父本、杂交棉中有而母本无两种类型,
扩增出的强带基因是双亲中显性基因表达的, 它既
可能包括显性效应, 也可能包括加性效应(中亲型);
单亲沉默表达即扩增强带仅出现在亲本之一, 包括
仅母本有而其他无和仅父本有而其他无两种类型 ,
杂交棉表达此类型基因比亲本的弱, 表明双亲之一
中的基因表达是沉默的 , 即低亲效应(低亲型); 基
因单态表达即扩增强带在双亲和杂交棉中均出现 ,
它既可能包括显性效应, 也可能包括加性效应。4种
杂交组合差异表达基因(包含叶和根)分别占表达基
因的 27.00%~34.56%, 分析差异表达基因类型和 4
个杂交组合的关系发现 , 超显性效应占 3.30%~
7.17%, 超低亲效应占 2.62%~4.14%, 低亲效应占
5.65%~3.03%, 显性效应和加性效应是主要的杂种
优势效应占 79.52%~83.79%(基因单态表达和单亲显
性表达之和)。其中, 三叶期表现超亲优势的中棉所
28杂交组合的超显性效应占 7.17%, 明显高于其他 3
个中亲优势组合, 该结果说明杂交种上调表达型可
能对杂种优势的产生起重要作用。
4 个杂交组合的差异显性表达基因与沉默和下
调表达基因之差 (F1+P1F1+P2F1–P1–P2–P1P2)分别为
3.26%、0.50%、8.19%和 1.37%, 与 4个杂交组合的
杂种优势(中亲优势)2.58%、0.95%、18.75%和 2.36%
基本相符, 具体二者之间存在何种比例关系尚待进
一步研究。
2.3 测序结果分析及差异表达基因的 q-PCR验证
随机回收选取的 18 个差异片段, 克隆测序, 经
NCBI 的 EST 数据库 Blast 查询, 表 3 结果表明, 所
测 18个序列中包含 2个冗余序列(L1161和 L1168), 9
个无相似序列。在花椰菜和棉纤维次生壁加厚期转
录组图谱研究中, 不同的引物组合可以扩增得到同
一基因片段[13]。本研究对差异片段的序列分析结果
也发现了类似现象(有 2个冗余序列), 可能是在不同
基因表达的群体中, 位于同一基因座的两个分离的
等位基因作为单个基因转录本被有效检测出来[14]。9
个序列无相似序列说明其转录产物为新的基因片
段, 功能未知, 表明棉花杂种优势的形成是一个复
杂的过程。
为排除假阳性, 本实验根据差异片段的 cDNA
序列, 用 Premier Primer5 设计了 6 对引物, 采用
q-PCR 的方法对基因差异表达模式进行了验证(图
2)。结果表明, 其中 4个基因片段的差异表达模式与
cDNA-AFLP所展示的差异表达趋势一致, 另外 2个
基因差异表达模式不一致, 假阳性率为 33.3%, 在
cDNA-AFLP 实验所能接受的假阳性率范围内 , 说
明本实验体系结果可信[15-16]。其中 Y3177的父本和
母本表达值达显著水平, 父本和杂交种表达值达到
显著水平; Y3178的父、母本、杂交种三者之间表达
值都达到极显著水平; Y3179 母本分别与父本和杂
交种表达值达到显著水平; Y3184 母本和杂交种表
达值达到显著水平。
3 讨论
杂种优势可能表现在植物生长和发育的各个阶
段, 幼苗可以在严格控制生长条件下生长并表现出
杂种优势[17-20], 因此选择这一时期检测基因表达差




表 2 三叶期根和叶部基因表达类型比例
Table 2 Percentage of gene expression types in roots and leaves at three-leaf stage
差异表达基因
Differential expression gene
基因单态表达型
Single expression
type
单亲显性表达(P1F1+P2F1)
Up expression in single parent
(P1F1+P2F1) (%)

单亲沉默表达型(P1+P2)
Down expression in single parent
(P1+P2) (%)

器官
Organ
品种
Cultivar 杂种上调表达
Up expression
in hybrid (F1)
(%) P1F1 P2F1 小计 Total P1 P2 小计Total
杂种下调表达型
Down expression in
hybrid (P1+P2)
(%)
总计带数
Total No. of
bands
比例
Ratio
(%)
带数
No. of
bands
比例
Ratio
(%)
CRI-28 10.01 8.84 3.86 12.71 2.70 3.60 6.30 4.39 631 33.40 1258 66.60
Jimian 18 5.18 15.04 3.81 18.85 4.83 14.40 19.24 2.83 944 46.09 1104 53.91
CRI-28 5.98 6.02 5.40 11.42 5.06 9.62 14.68 5.65 902 37.72 1489 62.28
叶片
Leaf
XZM 2 3.55 5.33 6.39 11.72 6.69 3.94 10.62 3.30 690 29.20 1673 70.80

CRI-28 3.39 6.49 0.92 7.40 1.62 3.17 4.80 2.89 262 18.48 1156 81.52
Jimian 18 4.26 4.26 2.13 6.39 1.18 1.81 3.00 2.29 202 15.93 1066 84.07
CRI-28 4.50 4.43 2.07 6.50 1.00 2.07 3.07 1.57 219 15.65 1180 84.35
根
Root
XZM 2 2.69 1.00 8.26 9.25 5.77 3.38 9.15 1.39 226 22.49 779 77.51

CRI-28 7.17 7.83 2.60 10.43 2.24 3.42 5.65 3.75 893 27.00 2414 73.00
Jimian 18 4.83 10.92 3.17 14.08 3.44 9.59 13.03 2.62 1146 34.56 2170 65.44
CRI-28 5.44 5.44 4.17 9.60 3.56 6.83 10.40 4.14 1121 29.58 2669 70.42
平均
Average
XZM 2 3.30 4.04 6.95 10.99 6.41 3.77 10.18 2.73 916 27.20 2452 72.80


第 9期 朱新霞等: 中棉所 12及其选系配制的 4个杂交棉幼苗期基因差异表达 1643


表 3 杂交棉和亲本差异表达的 cDNA序列
Table 3 cDNA sequences of differential expression fragments between hybrid and parents
编号
Code
引物
Primer
表达模式
Expression type
同源序列蛋白质
Homologous protein
同源序列号
Acc. No.
E值
E-value
L1145 E8M16 II 无 No significant similarity found
L1146 E8M1 II 无 No significant similarity found
L1148 E11M5 III 无 No significant similarity found
L1161 E11M12 III
黄瓜谷胱甘肽 S-转移酶部分 cDNA序列
Cucumis sativus clone CU14E03 glutathione S-transferase mRNA, partial
cds
ACI16511.1 6×E–50
L1162 E8M16 III
拟南芥泛素羧基末端水解酶家族蛋白/锌指(MYND型)家族蛋白
Arabidopsis thaliana ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase family protein
/ zinc finger (MYND type) family protein (AT4G31670)
NP_194895.1 8×E–34
L1163 E11M15 II 无 No significant similarity found
L1165 E8M1 III 无 No significant similarity found
L1167 E10M5 I 蓖麻 shaggy-like 激酶部分 cDNA序列
R. communis mRNA for shaggy-like kinase, partial
CAA72330.1 3×E–45
L1168 E12M12 III
黄瓜谷胱甘肽 S-转移酶部分 cDNA序列
Cucumis sativus clone CU14E03 glutathione S-transferase mRNA, partial
cds
ACI16511.1 1×E–83
L1169 E13M6 III 无 No significant similarity found
L1170 E13M8 I 拟南芥 SIT4 磷酸酶家族蛋白
SIT4 phosphatase-associated family protein (Arabidopsis thaliana)
NP_180403.1 3×E–16
L1171 E4M10 III 烟草假设的蛋白 NitaMp073
Hypothetical protein NitaMap073 (Nicotiana tabacum)
YP_173415.1 1×E–23
L1173 E14M4 III 无 No significant similarity found
L1174 E14M4 III 无 No significant similarity found
L1175 E14M4 III 无 No significant similarity found
L1176 E4M11 I 拟南芥 Zn
2+结合蛋白
Zn2+ binding protein (Arabidopsis thaliana)
NP_566278.1 2×E–27
L1177 E10M15 III 烟草胁迫诱导 H1组蛋白类似蛋白
Stress-inducible H1 histone-like protein (Nicotiana tabacum)
BAC53940.1 6×E–13
L1178 E11M15 II 单脱水抗坏血酸还原酶
Monodehydroascorbate reductase
NP_189420.1 1×E–39



图 2 差异表达基因的相对表达量
Fig. 2 Relative expression level of differential expression genes
P1: female parent of hybrids; P2: male parent of hybrids; F1: hybrids.

异可以避免外界环境等因素对杂种优势基因表达的
影响。
3.1 棉花叶和根基因表达模式
叶和根是代表棉花植株地上部分和地下部分的
重要营养器官, 根作为植株唯一的地下器官, 生长
模式始终如一, 它的生长和发育与地上部分存在很
大差异, 没有茎、叶和花等器官分化与转换, 因此根
和叶在基因表达模式上既可能存在共同性也可能存
在差异性。本研究结果表明, 根和叶二者基因差异
表达类型所占比例的趋势基本一致, 说明两者基因
表达方式具共同性。叶部差异表达基因数目和比例
(29.20%~46.09%)比根部 (15.65%~22.49%)高的多 ,
说明叶中基因差异表达可能比根中基因差异表达对
杂种优势形成作用更大; 特别是在叶中, 杂种基因
特异表达型所占比例(3.55%~10.01%)和单亲显性表
达型所占比例 (11.72%~18.85%)显著高于根基因中
特异表达型 (2.69%~4.50%)和单亲显性表达型
(6.39%~9.25%), 这与邢朝柱等 [8]研究结果一致, 说
明根和叶的基因表达上也存在相异性。
3.2 基因表达模式和杂种优势
基因差异表达模式与杂种优势相关性方面已有
不少报道, 目前报道均认为基因差异表达模式与产
量性状杂种优势存在显著的相关性, 但由于研究的
作物不同, 基因表达模式与杂种优势相关性呈现出
1644 作 物 学 报 第 35卷

不一致性[21-30], 尽管在不同作物、不同生育期、不
同器官中不同差异表达类型所占的比例不同, 但至
少表明, 杂交种的遗传表现不是亲本遗传物质的简单
相加, 而是两套基因在杂种中相互作用, 引起基因
表达质和量两方面的变化, 进而表现出杂种优势。
在本研究中, 4个杂交组合无论是叶部基因还是
根基因, 基因单态表达是最主要的表达模式, 它在
叶中占 53.91%~70.80%, 在根中占 77.51%~84.35%,
说明尽管后代的表型差异很大, 但其基因表达与亲
本具有较大程度的一致性。在基因差异表达模式中,
4 种杂交组合差异表达基因(包含叶和根)分别占表
达基因的 27.00%~34.56%, 其中单亲差异表达模式
是主要表达模式, 所占比例较高, 而杂种下调表达
型所占比例最低。这与邢朝柱等[26-27]基因单态表达
是最主要的表达模式的研究结果一致。
分析差异表达基因类型和 4 个杂交组合的关系
发现 , 显性效应和加性效应是主要的杂种优势效
应。中棉所 28杂交组合的超显性效应明显高于其他
3 个杂交组合, 说明杂交种上调表达型也许对杂种
优势产生起重要作用。多种杂种优势效应的并存说
明棉花苗期杂种优势可能是多基因共同作用产生多
种效应的结果, 这与 Swanson-Wagner 等[18]对玉米
的研究结果相似。
杂种优势的形成是一个多方面动态积累的过程,
涉及到一系列生理代谢有关基因的表达调控, 优势
可以表现在不同发育阶段, 不同器官和不同性状上,
也可以体现在生理生化各种代谢途径上, 同时也受
外界环境条件如光、温、水、气等的影响。虽然棉
花杂交种和亲本基因表达差异取得一些进展[8,26-27],
但被检测的基因数量有限, 由于棉花基因组序列未
知和实验手段本身的局限, 全基因组水平研究基因
表达变化的方法[17-18]在棉花上受到限制。随着棉花
基因组测序的进展和全基因组水平研究基因表达变
化方法的改进, 棉花杂种优势基因网络, 基因-基因,
基因-环境相互作用的表达分析将会更深入。
4 结论
高值亲本中棉所 12 选系与杂交棉共同表达的基
因多于低值亲本与杂交棉共同表达的基因, 在杂交
棉下调表达的基因要少于低值亲本在杂交棉下调表
达的基因, 即高值亲本中棉所 12选系在杂交棉表达
的基因明显高于另一亲本, 从分子水平上首次证明
了中棉所 12选系是骨干亲本, 在杂交棉冀棉 18、中
棉所 29 和中棉所 28 苗期的营养生长杂种优势产生
中起优势亲本的作用。

致谢: 感谢中国农业科学院棉花研究所的邢朝柱研
究员、河北省农业科学院张香云研究员、湖南省棉
花科学研究所李育强研究员分别提供中棉所 28、中
棉所 29、冀棉 18、湘杂棉 2号杂交棉的育种家亲本
种子。
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