北大张天真团队揭破陆地棉与小岛棉的基因差异
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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。

本成果利用了以色列NRGene公司的 DeNovoMAGIC组装技术,结合Bionano光学图谱、超高密度遗传图谱、Hi-C等辅助技术,组装出陆地棉遗传标准系TM-1和我国自育的海岛棉品种Hai7124染色体水平基因组,基因组完整性,尤其在重复序列富集的着丝粒区域组装完整性有了大幅提升。海陆基因组比较分析发现,特异基因表达、扩增和染色体结构变异是海陆驯化后分化的主要原因。其中纤维发育期间,膜转运、糖合成、碳水化合物代谢通路等相关基因海、陆差异富集,蔗糖转运、离子转运、液泡转化酶等、液泡中渗透物质调节等调控细胞伸长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,是长绒“奢侈棉”产生的主要原因。此外,陆地棉中有更多的乙烯、ABA信号调控的基因被激活,调控对冷、热等逆境响应,这可能与陆地棉的广适性密切相关。A01染色体陆地棉大片段序列的渐渗分析发现,确实存在中亚型或新疆型海岛棉。

该成果有助于对棉花的进化以及功能基因组展开进一步研究,并为未来以改良纤维为目的的育种工作提供帮助。华中农业大学教授张献龙、林忠旭,美国爱荷华州立大学教授JoshuaA. Udall和英国杜伦大学教授Keith Lindsey为共同通讯作者。

实现较完善的基因组组装

近日,《Nature Genetics》以Articles形式在线发表了浙江大学农学院张天真教授牵头的一个国际团队完成的研究论文“Gossypium barbadense and Gossypium hirsutum genomes provide insights into the origin and evolution of allotetraploid cotton”,报道了它们的起源和种间分化的遗传机制,揭示了陆地棉广适性、长绒海岛棉优质的遗传基础。

天然纤维哪家强?还数种植历史悠久的棉花。作为一种常见的经济作物,棉花具有天然、可再生的特点。近日,来自华中农业大学、英国杜伦大学、爱荷华州立大学的研究者揭示了整合多种方法组装的异源四倍体棉花的基因组序列,为棉花纤维的遗传改良提供了参考。研究成果于12月4日在线发表于《自然—遗传学》。

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

棉花是世界最大的纤维作物和纺织工业原料。棉纺织品具有优越的透气性、舒适性、保暖性,深受人们的喜爱。四倍体化后,人类驯化了陆地棉(Gossypium hirsutum L.)和海岛棉(G. barbadense)。陆地棉产量高,纤维好,适应性广,产量占世界棉花总产的90%以上。长、强、细,光滑有色泽的海岛棉又称长绒棉是国际奢侈品的主要纺织材料,产量低,仅能在新疆、埃及、美国亚利桑那州等少数干旱地区种植,因此价格昂贵。人们一直努力想解析陆地棉和海岛棉这种产量、品质和适应性差异形成的原因,并培育出综合海陆高产、纤维优良、适应性强的棉花新品种,但是一直没有成功。

全球每年天然纺织纤维产量的90%以上源于异源四倍体棉花。陆地棉因其产量较高,广泛种植于世界各地,海岛棉则因其优异的纤维品质而备受珍视。为了培育更长、更细和更强纤维的陆地棉,可将海岛棉的优良纤维性状引入其中。

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该研究是张天真教授团队继主导组装出陆地棉第一代基因组,揭示多倍体物种染色体亚组非对称性进化(Nat Biotechnol 2015)、解析从树棉到美棉,再到全球最大纤维作物棉花的驯化和改良遗传基础(Genome Biol 2017, Nat Genet 2017)之后,在基因组学研究领域取得的又一项突破性成果。该项成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学优势学科和溢达集团等大力支持。南京农业大学、基诺信息科技有限公司、以色列NRGene、澳大利亚纽卡斯尔大学、美国农业部南方研究中心、溢达集团、巴基斯坦国家生物技术和遗传改良研究中心、福建农林大学、中科院上海植物生理生态研究所等国内外多家科研机构项目参与了本项目的研究。

陆地棉与海岛棉基因组的染色体特征。

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。

与二倍体棉花基因组比较后,研究团队发现许多结构变异来自于棉花基因组的异源多倍化事件之后。

近日,浙江大学农业与生物技术学院教授张天真团队在《自然—遗传学》发表研究论文,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。

为了得到更精确的基因组序列,研究者通过第三代测序技术、BioNano光学图谱技术和染色质高级结构捕获技术,对陆地棉TM-1及海岛棉3-79的基因组序列进行联合组装。与先前报道的棉花基因组草图相比,该研究显著提高了基因组的连续性和完整性,比如着丝粒等重复含量较高的区域被成功组装。

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,可以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。

论文第一作者、华中农业大学博士王茂军对《中国科学报》表示,为了将这些基因组变异应用到棉花纤维的遗传改良中,研究人员对陆地棉和海岛棉之间的遗传导入系材料进行基因组分析,鉴定了13个控制纤维品质的遗传位点。研究团队还结合纤维发育的转录组数据,探究了这些遗传位点的表达调控机制。“这些位点的鉴定为今后通过海岛棉改良陆地棉的纤维品质提供了参考。”王茂军说。

“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存在很多扩增的特异基因,并推测,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,在两个棉种的基因组中,也发现了染色体结构的差异。

科学家揭秘棉花优质纤维基因组

“参考基因组序列是功能基因组研究的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,反映了我国科学家精益求精、契而不舍的科学精神。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。”

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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。

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。

“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。”

浙大张天真团队揭示陆地棉与海岛棉的基因差别

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,并试图培育出综合二者高产、纤维优良、适应性强的棉花新品种,但是一直没有成功。

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。

“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。

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。

助力棉种改良驯化棉花

接下来,研究人员使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。

发现棉种形成和进化的原因

“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》。

此外,陆地棉中有更多的乙烯、ABA信号调控的基因被激活,而这些基因可以调控棉花对冷、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。

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