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棉花团队最新成果:从全基因组水平揭示棉花驯化历程

更新时间:2017-03-07 09:01:27点击次数:2090次字号:T|T



3月7日,国际顶级杂志《自然•遗传学》(Nature Genetics, IF=31.616)在线发表了我校张献龙教授领导的棉花团队的最新研究成果:“棉花驯化过程中的不对称亚基因组选择和顺式调控分歧”(Asymmetric subgenome selection and cis-regulatory divergence during cotton domestication)。这项研究不仅首次提出了棉花纤维驯化的遗传学基础,而且阐述了驯化对基因转录调控的影响。该研究是棉花基因组研究领域的又一重大进展,在棉花功能基因组研究和遗传改良工作中具有重要指导作用。张献龙教授和英国杜伦大学Keith Lindsey教授为本文共同通讯作者,我校博士生王茂军为第一作者。


棉花纤维是重要的天然纺织纤维,在国民经济中占据着重要地位。生产上主要棉花栽培种为异源四倍体陆地棉,其生态适应性广,纤维产量占据每年棉花总产量95%以上。从古至今,陆地棉驯化和栽培已有5000年以上。棉花野生种含有大量遗传变异,而长期的人工驯化选择了一些优异的变异,使陆地棉的主要农艺性状发生了显著改变。但是,科学界很少有研究剖析这些性状改变的遗传学基础。

中国的陆地棉栽培始于20世纪初,主要从美国引种。中国的陆地棉遗传资源狭窄,同质性较高,使得遗传育种工作遇到了瓶颈。为了揭示人工驯化对基因组的影响,研究者从全世界主要棉区收集了31份陆地棉野生种和321份驯化种进行基因组重测序研究。利用这些数据,研究者构建了陆地棉的首个综合变异图谱,包括单碱基多态性(SNP),插入/缺失(InDel)和结构变异(SV)。通过将野生种与驯化种进行比较,这项研究在全基因组范围内鉴定了93个驯化选择区间。这些区间包含大量功能基因,与陆地棉的一些主要农艺性状的形成有关,例如株高,抗病性和纤维品质等。在今后,通过分子育种手段对这些区间进行整合,可以将野生种质用于改良棉花主要农艺性状。

长期的驯化过程显著改变了陆地棉的纤维产量和品质。驯化种产量比野生种高,同时纤维品质比野生种好。驯化种能产生白色纤维,野生种纤维略带棕黄色。为了分析控制这些性状改变的遗传学基础,该项研究首先利用267份材料对纤维品质相关性状进行全基因组关联分析,一共鉴定了19个显著位点,其中有4个位点位于驯化选择区间中。该研究进一步从陆地棉A亚基因组鉴定了一些受到驯化选择的基因,与纤维的长度相关;在D亚基因组鉴定了一些与逆境响应相关基因,这些基因在驯化种中下调表达,可能促进纤维的伸长。另外,研究发现D亚基因组的类黄酮代谢关键基因受到驯化选择,在驯化种中下调表达,可能与白色纤维的发育相关。在了解这些控制纤维品质性状的重要基因位点之后,研究者可以进一步对棉花纤维品质进行遗传改良。

对作物的人工驯化常常会改变大量基因的表达水平。为了分析基因差异性表达的原因,研究者巧妙地将DNA酶I酶切测序和三维基因组技术结合起来,鉴定了大量启动子上的顺式调控元件和远距离作用的增强子元件。这些转录调控元件受到了强烈的驯化选择,与基因的差异表达相关。这项研究是首次在植物中对非编码区的调控变异进行分析,为在其他物种中挖掘功能变异提供了重要参考。


论文地址:http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.3807.html