Nature Genetics｜棉花基因組研究獲重大突破
2020年4月13日，Nature Genetics雜誌刊發了一項重大科研成果，武漢大學高等研究院朱玉賢院士課題組及華大基因研究團隊通過對多個棉花基因組進行組裝、優化及比較分析，解決了圍繞棉花基因組起源的爭議，找到了豐富的棉花農藝性狀改良遺傳位點和靶標，將加快推進棉花遺傳育種改良進程。
棉花是全球最重要的經濟作物之一，其纖維俗稱皮棉，是紡織工業的主要天然原料。中國是全球最大的紡織品生產國和消費國，也是棉花種植大國，對棉纖維相關農藝性狀改良的遺傳靶標需求迫切，與栽培棉種相關的基因組研究也因此成為科研熱點。
該研究團隊採用最新測序和組裝技術，解析了世界上首個高精度草棉基因組（草棉為非洲棉變種，其基因組類型為A1），並對亞洲棉基因組（A2）和陸地棉基因組（( AD)1）進行升級，所獲基因組準確性、完整度均得到顯著提升，為棉花相關農藝性狀研究提供了優質的基因組資源。
圖1：該項目組裝及優化得到的基因組關鍵參數展示，其中A1 基因組首次破譯。
棉屬植物共51 種，含46 個二倍體和5 個四倍體棉種。異源四倍體陸地棉（AADD）是全球產量最高、種植面積最廣的栽培棉種，其演化及纖維發育機制一直備受關注。已有研究證實，陸地棉的D 亞基因組供體來自雷德蒙氏棉（DD）。但A 亞基因組供體來源一直存在爭議，有學者認為它來自非洲棉（A1），也有人認為它來自亞洲棉（A2）。
該研究團隊通過構建系統發育樹，並進行演化分析，發現了陸地棉的A 亞基因組真正的供體來源：既不是非洲棉（A1），也不是亞洲棉(A2)，而是已經滅絕的、非洲棉和亞洲棉的共同祖先基因組A0，並推斷出陸地棉、非洲棉、亞洲棉的A 基因組與祖先供體基因組A0 的分化時間，從而以充分的證據結束了陸地棉的A 亞基因組起源爭議。
圖2：棉花A 基因組起源與演化模型(a) 和重要演化事件(b)。
除此之外，研究人員還通過對不同的栽培棉種進行比較基因組分析，鑑定得到大量的結構變異位點，結合不同纖維發育時期的基因差異表達數據，對影響基因差異表達的變異位點進行篩選，最終通過轉基因驗證實驗，找到棉纖維發育的關鍵基因。例如，發現差異基因顯著富集在與控制超長鏈脂肪酸合成相關的通路上，研究人員便選擇該通路的關鍵基因KCS6，採用轉基因實驗使其過表達，結果證實，在該基因過表達調控下，陸地棉的纖維長度得到顯著提升。研究團隊由以上方法鑑定得到的候選位點為棉花育種工作者提供了豐富的遺傳改良位點和靶標，將加快棉花育種進程。
圖3：棉花基因組結構變異與纖維發育分析。
至此，研究團隊通過對組裝得到的三個高質量棉花基因組進行演化、比較基因組及群體遺傳學析，為棉花的基礎研究與生產實踐提供了優質的基因組資源與遺傳改良證據，將對棉花農藝性狀育種產生重要推進作用。
延伸閱讀——棉花基因組大事記
2020 年
非洲棉基因組（A1A1）破譯！該項成果由武漢大學高等研究院朱玉賢院士團隊與華大基因研究團隊通過Hi- C 和PacBio 等多組學測序手段完成，發表於Nature Genetics。研究團隊成功組裝了草棉G.herbaceum (非洲棉A1 的一個變種)基因組，更新了亞洲棉（A2）和陸地棉（(AD)1）基因組。
2019 年
陸地棉TM- 1 和陸地棉ZM24 基因組完成，該項成果由鄭州大學農學院李付廣研究團隊與華大基因研究團隊合作發表於Nature Communications 。研究團隊首次揭示倒位調控陸地棉遺傳多樣性，及倒位對陸地棉群體分化的影響。
2015 年
陸地棉（AADD）基因組完成，該項成果由中國農業科學院棉花研究所、華大基因研究團隊、北京大學合作發表於Nature Biotechnology ，為陸地棉（TM-1）基因組演化研究提供了重要見解。
2014 年
棉花A（亞洲棉、樹棉）基因組完成，該項成果由中國農科院棉花研究所、武漢大學高等研究院、華大基因研究團隊合作發表於Nature Genetics。研究團隊採用短讀長測序技術組裝得到1.7Gb 基因組，註釋得到41,330 個蛋白編碼基因。重複序列佔比68.5%，在當時已測序雙子葉植物中佔比最高。
https://www.nature.com/articles/ng.2987
2012 年
雷德蒙氏棉基因組（D）草圖完成，該項成果由中國農科院棉花研究所、北京大學生命科學學院和華大基因研究團隊合作發表於Nature Genetics。研究人員採用短讀長測序技術組裝出775Mb 基因組，超過73% 的序列被錨定到13 條染色體上。得到40,976 個蛋白編碼基因，其中92% 的基因有功能註釋。