棉花共有4個(gè)栽培種，其中經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的是2個(gè)四倍體栽培種——陸地棉和海島棉。讓陸地棉和海島棉“聯(lián)手”，將海島棉的優(yōu)質(zhì)、抗性基因“引入”到高產(chǎn)陸地棉中，從而培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗的棉花新品種，一直是育種家孜孜以求的目標(biāo)。

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授馬峙英團(tuán)隊(duì)率先組裝了陸地棉和海島棉現(xiàn)代品種基因組，破譯了海陸種間、陸陸種內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)變異及其規(guī)律，揭示了陸地棉大規(guī)模種質(zhì)材料結(jié)構(gòu)變異的遺傳效應(yīng)，為作物重要性狀改良提供了新的理論依據(jù)和資源。8月9日，相關(guān)論文在線發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》。

首次組裝陸海現(xiàn)代品種高質(zhì)量基因組

陸地棉產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)，占全球棉花總產(chǎn)量90%以上;海島棉產(chǎn)量低、纖維品質(zhì)優(yōu)良、抗病性好，約占全球棉花產(chǎn)量10%。長期以來，育種家在獲得多逆境抗性的同時(shí)，一直努力通過協(xié)同提高產(chǎn)量和品質(zhì)來培育陸地棉新品種，將海島棉的優(yōu)異性狀轉(zhuǎn)育到陸地棉中，以進(jìn)一步改良品質(zhì)和抗性。

然而，論文第一作者、共同通訊作者馬峙英告訴《中國科學(xué)報(bào)》，人們對棉花現(xiàn)代育成品種的基因組信息、現(xiàn)代育種過程中基因組的結(jié)構(gòu)變異仍缺乏深入了解，有關(guān)棉花結(jié)構(gòu)變異的遺傳效應(yīng)鮮為人知。

陸地棉和海島棉都是由二倍體A基因組和D基因組共同組成的異源四倍體AADD基因組，是由A基因組和D基因組通過自然雜交和染色體加倍而形成。

馬峙英介紹，他們率先組裝了陸、海現(xiàn)代品種高質(zhì)量基因組，并發(fā)現(xiàn)上千個(gè)棉屬新基因。農(nóng)大棉8號(NDM8)是我國自育陸地棉現(xiàn)代品種，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗;Pima90是我國從Pima棉中系選獲得的海島棉新品系，抗病優(yōu)質(zhì)，長期用于棉花抗病遺傳、QTL定位和基因克隆及分子育種。

該團(tuán)隊(duì)組裝的農(nóng)大棉8號和Pima90兩個(gè)品種的基因組大小分別為2.29Gb和2.21Gb，基因組錨定率分別為99.57%和99.75%。他們在農(nóng)大棉8號中鑒定出80124個(gè)基因，其中1499個(gè)為預(yù)測的新基因;在Pima90中鑒定到79613個(gè)基因，其中1267個(gè)為預(yù)測的新基因。

破譯海陸棉基因組結(jié)構(gòu)變異圖譜

此前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多基因組中的單核苷酸多態(tài)性對棉花性狀產(chǎn)生的影響。馬峙英告訴《中國科學(xué)報(bào)》，單核苷酸多態(tài)性是一個(gè)堿基發(fā)生變化，實(shí)際上，影響基因表達(dá)和功能的還有染色體結(jié)構(gòu)變異，后者的影響更大。

染色體結(jié)構(gòu)變異的類型有堿基的缺失、重復(fù)、倒位、易位等，往往是多個(gè)堿基同時(shí)發(fā)生變異。“這些變異對基因的轉(zhuǎn)錄翻譯產(chǎn)生了很大影響，對育種家關(guān)心的經(jīng)濟(jì)性狀變化影響比較大。”馬峙英說，他們發(fā)現(xiàn)了一批影響基因表達(dá)的新變異。

論文共同通訊作者、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授王省芬告訴《中國科學(xué)報(bào)》，為了在陸地棉現(xiàn)代育種中潛在有效地利用海島棉基因組變異，該團(tuán)隊(duì)比對分析了Pima90與農(nóng)大棉8號基因組。

他們發(fā)現(xiàn)，海島棉存在高度的基因組多樣性：插入和缺失在D亞組上的密度明顯高于A亞組;31296個(gè)變異—基因?qū)υ诤u棉組織中顯著特異表達(dá);5815個(gè)插入缺失位于5256個(gè)基因的外顯子區(qū)，其中3178個(gè)變異影響了基因轉(zhuǎn)錄。

而且，Pima90中編碼蔗糖合酶的基因存在小片段的缺失。該基因在纖維伸長期和次生壁加厚期高表達(dá)，對海島棉纖維長度和強(qiáng)度的形成有重要作用。追蹤利用Pima90育成的新材料農(nóng)大373-9的基因組序列，發(fā)現(xiàn)該材料導(dǎo)入了Pima90中編碼蔗糖合酶的基因。此外，該材料還獲得了來自于Pima90的其他171個(gè)外顯子區(qū)結(jié)構(gòu)變異，表明了海島棉對陸地棉改良的可行性。

為了探明陸地棉現(xiàn)代品種的基因組變化，他們又將農(nóng)大棉8號基因組與早期品種TM-1基因組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)農(nóng)大棉8號存在76568個(gè)結(jié)構(gòu)變異，其中28626個(gè)結(jié)構(gòu)變異能夠在10~1081個(gè)重測序種質(zhì)材料中檢測到。與海島棉類似，農(nóng)大棉8號基因組的插入和缺失在D亞組上的密度明顯高于A亞組。然而，陸地棉基因組的插入和缺失在端粒附近具有偏好性，是染色體其他區(qū)域的3.71倍。

此外，編碼肉桂酰輔酶A還原酶的基因在TM-1中存在1個(gè)缺失，影響了抗黃萎病功能。群體樣本分析還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代品種較早期品種獲得了1128個(gè)NDM8型結(jié)構(gòu)變異，反映了現(xiàn)代育種改良進(jìn)程的選擇效應(yīng)。

探明陸地棉結(jié)構(gòu)變異遺傳效應(yīng)

獲得了海島棉和陸地棉的結(jié)構(gòu)變異圖譜后，他們又將結(jié)構(gòu)變異對棉花重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳效應(yīng)進(jìn)行了分析。

論文共同通訊作者、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張艷告訴《中國科學(xué)報(bào)》，為探明基因組結(jié)構(gòu)變異對重要性狀的遺傳效應(yīng)，他們對1081份世界各地的陸地棉種質(zhì)資源深度重測序，以農(nóng)大棉8號為參考基因組獲得了304630個(gè)結(jié)構(gòu)變異，結(jié)合大規(guī)模多環(huán)境評價(jià)獲得的纖維長度、強(qiáng)度、鈴重、衣分和黃萎病抗性數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了446個(gè)與重要性狀顯著關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)變異。

研究發(fā)現(xiàn)，品質(zhì)性狀的結(jié)構(gòu)變異主要位于D亞組，而產(chǎn)量性狀的變異主要位于A亞組。在907個(gè)與纖維品質(zhì)、產(chǎn)量相關(guān)的基因中，84.23%的基因在纖維不同發(fā)育時(shí)期表達(dá)。

纖維長度是棉花最重要的經(jīng)濟(jì)性狀之一。據(jù)介紹，纖維長度增加1毫米(mm)，每噸皮棉售價(jià)一般可增加300元左右。在陸地棉D(zhuǎn)t11染色體上，有69個(gè)結(jié)構(gòu)變異能夠使纖維長度顯著增加0.71~0.99mm，56個(gè)結(jié)構(gòu)變異能夠顯著增加1.00~1.19mm。如此可使纖維長度從27mm或者28mm級別增至29mm級別。

此外，黃萎病是影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的重要病害。他們發(fā)現(xiàn)，在陸地棉D(zhuǎn)t11染色體的3個(gè)結(jié)構(gòu)變異能夠使棉花黃萎病病情指數(shù)大大降低，讓棉花從感病變?yōu)槟筒　?/p>

在發(fā)現(xiàn)的60個(gè)抗黃萎病相關(guān)基因中，編碼S—去甲烏藥堿合成酶的基因GhNCS在抗黃萎病品種中的表達(dá)量顯著低于感病品種，沉默該基因?qū)е驴共⌒燥@著增強(qiáng)：可以使NDM8由耐病變?yōu)榭共。姑藁ㄆ贩NCCRI8從感病變?yōu)槟筒　?ldquo;這證明GhNCS是控制黃萎病抗性的一個(gè)重要新基因。”張艷說。(記者 李晨)

關(guān)鍵詞： 陸海棉 棉花 陸地棉 海島棉 基因組結(jié)構(gòu)變異圖譜