抗旱性是复杂的数量性状,受到遗传和环境的共同调控。棉花是一种相对耐旱的经济作物,但随着全球气候变暖及我国种植结构的变化,棉花种植区逐渐向西北部干旱地区转移,水资源短缺已成为制约棉花产量和品质的重要因素。开展棉花抗旱机制研究、克隆抗旱基因并应用于棉花育种是解决棉田缺水的有效途径。目前,棉花抗旱基因的发掘进展缓慢,虽有一些调控基因及功能基因的研究报道,但相对于玉米、水稻、小麦等粮食作物的抗旱研究仍有些滞后。由于棉花的生育期长,棉花抗旱性的评价指标一直是研究者们思考和尝试解决的难题。本研究利用陆地棉栽培种组成的自然群体,一方面在新疆大田进行控水处理,获取田间农艺性状、产量和品质等18个性状,另一方面在温室进行干旱处理,通过表型平台采集获取大量数字化表型指标,结合基因组重测序和转录组测序,运用关联分析鉴定棉花抗旱性相关重要位点和重要候选基因。主要研究结果如下:1.大田棉花抗旱性状综合研究及抗旱性状的关联分析本研究利用517份棉花种质组成的自然群体为研究对象,在新疆南北地区进行两年两点的大田控水试验,采用全生育期灌水量为对照组灌水量50%作为水分限制处理,考察了包含农艺性状、纤维品质、产量指标在内的共18个性状,分析了不同性状的广义遗传力和变异系数。根据不同性状与控水处理的关系,描绘了各性状之间的相关性网络。结果表明,群体内不同品种对干旱胁迫的响应差异明显,除铃重和纤维整齐度受水分影响不显著外,其他16个性状在对照和限水处理间表现极显著差异;一方面,50%限水处理使纤维品质降低,表现在纤维长度降低和马克隆值增加;另一个方面,50%限水处理使棉田实收籽棉产量提高8.46%,同时促进相关优良农艺性状的建成,使生育期普遍缩短、株高普遍降低,有利于集中吐絮和合理密植。研究进一步对314个棉花种质进行重测序,结合前期203份种质的重测序结果,我们共获得2564238个SNP用于全基因组关联分析(GWAS)。利用不同表型性状的抗旱系数(DRC)和综合抗旱指数(CIDT)进行关联分析,分别检测到33个和6个与水分胁迫相关的QTL,其中包含两个新的QTL热点区域。结合转录组测序和q RT-PCR,在这两个热点区域内鉴定到6个差异表达基因(DEGs)。本研究不仅为新疆棉田的节水灌溉提供了新思路,也为棉花的抗旱性改良提供了理论基础和候选基因。2.基于表型组学图像指标的关联分析解析棉花苗期响应干旱的遗传基础棉花中开展抗旱鉴定的主要方法是建立旱池、苗期水培实验或盆栽处理,相关指标的采集主要限于株高等人工可采集指标。为了获取抗旱性评价指标,我们利用表型组平台在温室对苗期干旱处理下的200份棉花种质资源进行了动态的RGB图像采集。通过人工测量和无损图像提取进行建模,分析人工采集数据与图像特征数据之间的相关性,共获取了119个基于棉花图像的数字化特征(i-traits),包括56个形态特征,63个纹理特征。研究验证了株高、株宽、生物量等用于干旱评价的传统指标,并进一步鉴定到了能准确反映棉花苗期响应干旱的多个非人工获得性i-traits:形态特征植株密度(PD)、相对频数(RF)和纹理特征G分量熵值(ET＿G)等。通过综合各棉花形态特征的表现,我们将200个棉花种质的抗旱性分为高抗、中抗、敏感3个等级。本研究表明,表型组学技术突破了人工检测指标少、误差大及通量小的瓶颈,为棉花抗旱性研究提供了优良的技术平台。研究进一步结合基因组重测序数据,通过不同i-traits抗旱系数的GWAS,鉴定到390个与干旱相关的QTL,包括前人在棉花中报道过的抗旱相关基因Gh RD2、Gh NAC4、Gh HAT22和Gh DREB2。结合抗旱种质ZY168和敏旱种质ZY7的转录组数据,我们在一个QTL热点区间内鉴定到此前未报道的两个串联重复基因Gh DNRs(Gh＿A04G0377、Gh＿A04G0378)。病毒介导的基因沉默(VIGS)实验表明,沉默两个基因的表达使棉花植株在干旱处理下表现更抗旱,沉默植株生物量(SA)和株高显著高于对照植株、子叶脱落晚于对照植株、叶片内的可溶性糖含量高于对照植株,证明Gh DNRs是棉花抗旱的负调控因子。本研究结合表型组、基因组和转录组等多组学,不仅为棉花抗旱鉴定提出了新的方法,也为深入解析棉花抗旱机制及棉花抗旱性状的遗传改良提供了强有力的理论和技术支撑。