Nature Genetics｜棉花基因组研究获重大突破

2020年4月13日，Nature Genetics 杂志刊发了一项重大科研成果，武汉大学高等研究院朱玉贤院士课题组及华大基因研究团队通过对多个棉花基因组进行组装、优化及比较分析，解决了围绕棉花基因组起源的争议，找到了丰富的棉花农艺性状改良遗传位点和靶标，将加快推进棉花遗传育种改良进程。

棉花是全球最重要的经济作物之一，其纤维俗称皮棉，是纺织工业的主要天然原料。中国是全球最大的纺织品生产国和消费国，也是棉花种植大国，对棉纤维相关农艺性状改良的遗传靶标需求迫切，与栽培棉种相关的基因组研究也因此成为科研热点。

该研究团队采用最新测序和组装技术，解析了世界上首个高精度草棉基因组（草棉为非洲棉变种，其基因组类型为A1），并对亚洲棉基因组（A2）和陆地棉基因组（(AD)1）进行升级，所获基因组准确性、完整度均得到显著提升，为棉花相关农艺性状研究提供了优质的基因组资源。

图1：该项目组装及优化得到的基因组关键参数展示，其中A1基因组首次破译。

棉属植物共51种，含46个二倍体和5个四倍体棉种。异源四倍体陆地棉（AADD）是全球产量最高、种植面积最广的栽培棉种，其演化及纤维发育机制一直备受关注。已有研究证实，陆地棉的D亚基因组供体来自雷德蒙氏棉（DD）。但A亚基因组供体来源一直存在争议，有学者认为它来自非洲棉（A1），也有人认为它来自亚洲棉（A2）。

该研究团队通过构建系统发育树，并进行演化分析，发现了陆地棉的A亚基因组真正的供体来源：既不是非洲棉（A1），也不是亚洲棉(A2)，而是已经灭绝的、非洲棉和亚洲棉的共同祖先基因组A0，并推断出陆地棉、非洲棉、亚洲棉的A基因组与祖先供体基因组A0的分化时间，从而以充分的证据结束了陆地棉的A亚基因组起源争议。

图2：棉花A基因组起源与演化模型(a)和重要演化事件(b)。

除此之外，研究人员还通过对不同的栽培棉种进行比较基因组分析，鉴定得到大量的结构变异位点，结合不同纤维发育时期的基因差异表达数据，对影响基因差异表达的变异位点进行筛选，最终通过转基因验证实验，找到棉纤维发育的关键基因。例如，发现差异基因显著富集在与控制超长链脂肪酸合成相关的通路上，研究人员便选择该通路的关键基因KCS6，采用转基因实验使其过表达，结果证实，在该基因过表达调控下，陆地棉的纤维长度得到显著提升。研究团队由以上方法鉴定得到的候选位点为棉花育种工作者提供了丰富的遗传改良位点和靶标，将加快棉花育种进程。

图3：棉花基因组结构变异与纤维发育分析。

至此，研究团队通过对组装得到的三个高质量棉花基因组进行演化、比较基因组及群体遗传学析，为棉花的基础研究与生产实践提供了优质的基因组资源与遗传改良证据，将对棉花农艺性状育种产生重要推进作用。

延伸阅读——棉花基因组大事记

2020年

非洲棉基因组（A1A1）破译！该项成果由武汉大学高等研究院朱玉贤院士团队与华大基因研究团队通过Hi-C和pacBio等多组学测序手段完成，发表于Nature Genetics。研究团队成功组装了草棉G.herbaceum (非洲棉A1的一个变种)基因组，更新了亚洲棉（A2）和陆地棉（(AD)1）基因组。

https://doi.org/10.1038/s41588-020-0607-4

2019年

陆地棉TM-1和陆地棉ZM24基因组完成，该项成果由郑州大学农学院李付广研究团队与华大基因研究团队合作发表于Nature Communications 。研究团队首次揭示倒位调控陆地棉遗传多样性，及倒位对陆地棉群体分化的影响。

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10820-x

2015年

陆地棉（AADD）基因组完成，该项成果由中国农业科学院棉花研究所、华大基因研究团队、北京大学合作发表于Nature Biotechnology ，为陆地棉（TM-1）基因组演化研究提供了重要见解。

https://www.nature.com/articles/nbt.3208

2014年

棉花A（亚洲棉、树棉）基因组完成，该项成果由中国农科院棉花研究所、武汉大学高等研究院、华大基因研究团队合作发表于Nature Genetics。研究团队采用短读长测序技术组装得到1.7Gb基因组，注释得到41,330个蛋白编码基因。重复序列占比68.5%，在当时已测序双子叶植物中占比最高。

https://www.nature.com/articles/ng.2987

2012年

雷德蒙氏棉基因组（D）草图完成，该项成果由中国农科院棉花研究所、北京大学生命科学学院和华大基因研究团队合作发表于Nature Genetics。研究人员采用短读长测序技术组装出775Mb基因组，超过73%的序列被锚定到13条染色体上。得到40,976个蛋白编码基因，其中92%的基因有功能注释。