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浙大張天真團隊揭示陸地棉與海島棉的基因差別
2019-03-27 科學網

  陸地棉產量高、適應性強;海島棉產量低,纖維品質較優。長久以來,人們一直想解析陸地棉和海島棉在產量、適應性和品質方面差異的原因,并試圖培育出綜合二者高產、纖維優良、適應性強的棉花新品種,但是一直沒有成功。

  近日,浙江大學農業與生物技術學院教授張天真團隊在《自然—遺傳學》發表研究論文,報道了高質量四倍體陸地棉和海島棉的起源及種間分化的遺傳機制,揭示了陸地棉廣適性、海島棉優質的遺傳基礎。

  實現較完善的基因組組裝

  據張天真介紹,棉花屬共包括 46 個二倍體棉種和 5 個四倍體棉種,所有的二倍體棉種均可能由 1 個共同的祖先進化而來,隨后分化為 8 個基因組,包括A、B、C、D、E、F、G 和K。

  “而所有的四倍體棉種均由 A 基因組亞洲棉和 D 基因組雷蒙德氏棉進行種間雜交加倍形成,是異源四倍體棉種。”張天真告訴《中國科學報》。

  研究團隊對兩個異源四倍體棉種——陸地棉TM-1和海島棉Hai7124,進行了超高深度測序,隨后按照測序得到的棉花基因組序列,用DeNovoMAGIC3軟件進行基因組組裝。

  值得一提的是,相比已發表的兩個舊版本,新組裝的海島棉Hai7124基因組的連續性分別提高了47倍和90倍,陸地棉TM-1基因組的連續性也提高了10~20倍。基因組的完整性,尤其在重復序列富集的著絲粒區域組裝的完整性大幅提升。

  張天真表示,此次研究結合了基因組領域最前沿的組裝、光學圖譜等技術,使新組裝的兩個棉種基因組序列的準確性、完整性和連續性均顯著提升,這也為后續四倍體棉花育種的研究奠定了堅實基礎。

  “參考基因組序列是功能基因組研究的一項非常重要的基礎工作。”中國農業大學農學院教授華金平對《中國科學報》表示,“此次組裝的陸地棉TM-1是第三個、也是目前最完善的版本,反映了我國科學家精益求精、契而不舍的科學精神。海島棉Hai7124序列釋放也代表了我國科學家在此領域的最新進展,為海島棉功能基因組研究提供了重要依據。”

  發現棉種形成和進化的原因

  接下來,研究人員使用這兩個組裝良好的基因組棉種,通過全基因組比較分析發現,基因表達、結構變異和擴展基因家族的物種特異性改變,是這兩個棉種形成和進化的原因。

  “通過比較陸地棉和海島棉的基因組差異,我們發現在這兩個棉種中各存在很多擴增的特異基因,并推測,其中某些特異基因可能與棉種的特異性狀有關。”張天真介紹,在兩個棉種的基因組中,也發現了染色體結構的差異。

  研究人員發現,在纖維發育期間,陸地棉和海島棉的膜轉運、糖合成、碳水化合物代謝通路等相關基因差異富集。

  其中,蔗糖轉運、離子轉運、液泡轉化酶等調控細胞伸長的相關基因,在海島棉纖維發育中的表達持續時間遠長于陸地棉。“這是海島棉纖維品質較優的主要原因。”張天真說。

  此外,陸地棉中有更多的乙烯、ABA信號調控的基因被激活,而這些基因可以調控棉花對冷、熱等環境的反應,因此,這些基因可能與陸地棉的廣適性密切相關。

  助力棉種改良馴化棉花

  張天真表示,雖然我國棉花產量位居世界前列,但我國棉花生產也面臨著重大危機,如棉類型單一、纖維品質差、纖維強度較低等問題。

  “因此,充分研究棉花基因組功能,對加快選育優質的棉花品種、保證我國棉花產業可持續發展具有非常重要的意義。”

  研究人員表示,此次研究發現將有助于闡明棉花的馴化歷史和棉花基因組進化歷程。此外,可以進一步研究陸地棉和海島棉基因組中的差異基因,以應用于下一步的棉花育種,提高棉花纖維質量,增強棉花對外界環境的適應性。

  “本項研究方法還可以擴展應用到其他作物上,以便更好地了解作物的馴化歷史,改進提升作物品質。”張天真說。

  相關論文信息:DOI:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0371-5

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