陆地棉TM-1和海岛棉Hai7124带有纤维的种子

陆地棉产量高，适应性强；海岛棉产量低，纤维品质较优。长久以来，人们一直想解析陆地棉和海岛棉在产量、适应性和品质方面差异的原因，并试图培育出综合两者优点，高产、纤维优良、适应性强的棉花新品种，但一直没有成功。

近日，浙江大学农业与生物技术学院张天真团队在《自然—遗传学》发文，报道了高质量四倍体陆地棉和海岛棉的起源及种间分化的遗传机制，揭示了陆地棉广适性、海岛棉优质的遗传基础。

实现较完善的基因组组装

据张天真介绍，棉花属共包括46个二倍体棉种和5个四倍体棉种，所有的二倍体棉种均可能由1个共同的祖先进化而来，随后分化为8个基因组，包括A、B、C、D、E、F、G 和K。

“而所有的四倍体棉种均由A基因组亚洲棉和D基因组雷蒙德氏棉进行种间杂交加倍形成，是异源四倍体棉种。”张天真告诉《中国科学报》。

研究团队对两个异源四倍体棉种——陆地棉TM-1和海岛棉Hai7124进行了超高深度测序，随后按照测序得到的棉花基因组序列，用DeNovoMAGIC3软件进行基因组组装。

值得一提的是，相比已发表的两个旧版本，新组装的海岛棉Hai7124基因组的连续性分别提高了47倍和90倍，陆地棉TM-1基因组的连续性也提高了10~20倍。基因组的完整性，尤其在重复序列富集的着丝粒区域组装的完整性大幅提升。

张天真表示，此次研究结合了基因组领域最前沿的组装、光学图谱等技术，使新组装的两个棉种基因组序列的准确性、完整性和连续性均显著提升，这也为后续四倍体棉花育种的研究奠定了坚实基础。

“参考基因组序列是功能基因组研究中一项非常重要的基础工作。”中国农业大学农学院教授华金平对《中国科学报》表示，“此次组装的陆地棉TM-1是第三个也是目前最完善的版本。海岛棉Hai7124序列释放也代表了我国科学家在此领域的最新进展，为海岛棉功能基因组研究提供了重要依据。”

发现棉种形成和进化原因

接下来，研究人员利用这两个组装良好的基因组棉种，通过全基因组比较分析发现，基因表达、结构变异和扩展基因家族的物种特异性改变是这两个棉种形成和进化的原因。

“通过比较陆地棉和海岛棉的基因组差异，我们发现在这两个棉种中各自存在很多扩增的特异基因。我们推测，其中某些特异基因可能与棉种的特异性状有关。”张天真介绍说，他们在两个棉种的基因组中也发现了染色体结构的差异。

研究人员发现，在纤维发育期间，陆地棉和海岛棉的膜转运、糖合成、碳水化合物代谢通路等相关基因差异富集。

其中，蔗糖转运、离子转运、液泡转化酶等调控细胞伸长的相关基因，在海岛棉纤维发育中的表达持续时间远长于陆地棉。“这是海岛棉纤维品质较优的主要原因。”张天真说。

此外，陆地棉中有更多的乙烯、ABA信号调控的基因被激活，而这些基因可调控棉花对冷、热等环境的反应，因此这些基因可能与陆地棉的广适性密切相关。

助力棉种驯化改良

张天真表示，虽然我国棉花产量位居世界前列，但棉花生产面临着重大危机，如棉类型单一、纤维品质差、纤维强度较低等问题。

“因此，充分研究棉花基因组功能，对加快选育优质的棉花品种、保证我国棉花产业可持续发展具有非常重要的意义。”

研究人员表示，此次研究发现将有助于阐明棉花的驯化历史和棉花基因组进化历程。此外，可进一步研究陆地棉和海岛棉基因组中的差异基因，以应用于下一步的棉花育种，提高棉花纤维质量，增强棉花对外界环境的适应性。

“本项研究方法还可以扩展应用到其他作物上，以便更好地了解作物的驯化历史，改进提升作物品质。”张天真说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0371-5

（来源：中国科学报）