近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張獻(xiàn)龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)，在國(guó)際權(quán)威期刊Nature Communications上發(fā)表了題為“Pangenome analysis reveals yield- and fiber-related diversity and interspecific gene flow in

Gossypium barbadense

該研究通過(guò)從頭組裝12個(gè)野生-馴化連續(xù)體的海島棉基因組，構(gòu)建了首個(gè)海島棉高質(zhì)量泛基因組，并解析了其纖維品質(zhì)和產(chǎn)量相關(guān)性狀的遺傳變異及種間漸滲現(xiàn)象。研究成果鑒定出棉花纖維產(chǎn)量與品質(zhì)遺傳改良的關(guān)鍵基因位點(diǎn)，提供了豐富的遺傳資源，為海島棉同步提升產(chǎn)量與纖維品質(zhì)提供了新思路。

圖1 從頭組裝12個(gè)海島棉基因組

海島棉（

Gossypium barbadense

圖2 海島棉的泛基因組分析

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)12個(gè)從頭組裝的和5個(gè)先前發(fā)表的海島棉基因組開(kāi)展泛基因組研究。泛基因組的尺寸大小排列組合數(shù)據(jù)顯示，14個(gè)基因組就包含99%以上的基因家族，且基因家族數(shù)量增長(zhǎng)曲線(xiàn)幾乎趨于平穩(wěn)。這表明這17個(gè)海島棉材料不僅具有代表性，而且在總體上較為完整。

圖3 海島棉的結(jié)構(gòu)變異

高質(zhì)量的基因組為識(shí)別大尺寸結(jié)構(gòu)變異提供遺傳資源。通過(guò)比較基因組共鑒定到129,673個(gè)海島棉的非冗余結(jié)構(gòu)變異和350,995個(gè)四倍體棉花的非冗余結(jié)構(gòu)變異。利用結(jié)構(gòu)變異解析海島棉的種間漸滲發(fā)現(xiàn)，海島棉在加勒比海地區(qū)與陸地棉發(fā)生了廣泛的種間漸滲，但僅有少量的漸滲保留到海島棉的栽培種中。例如，一個(gè)位于開(kāi)花基因FLK下游的結(jié)構(gòu)變異起源于陸地棉，在加勒比海地區(qū)漸滲到海島棉農(nóng)家種，并遺傳至現(xiàn)代海島棉栽培種。該結(jié)構(gòu)變異為“海島棉在加勒比海地區(qū)通過(guò)與陸地棉種間雜交獲得光周期中性性狀”的猜測(cè)提供了證據(jù)。

圖4 SV-GWAS分析識(shí)別海島棉纖維品質(zhì)和產(chǎn)量的候選變異

該研究通過(guò)構(gòu)建圖形泛基因組和開(kāi)展SV-GWAS分析，鑒定到4個(gè)纖維長(zhǎng)度、3個(gè)纖維強(qiáng)度和7個(gè)衣分的海島棉遺傳位點(diǎn)。在探究這些位點(diǎn)優(yōu)異等位變異的起源時(shí)發(fā)現(xiàn)，三個(gè)纖維品質(zhì)的有利等位變異組合(FL2/FS1+FL4/FS2+FS3)通過(guò)選擇和種間漸滲的方式結(jié)合在新疆新海棉中，改良了新海棉的纖維品質(zhì)；三個(gè)衣分的有利等位變異組合(LP1+LP2+LP3)通過(guò)種間雜交聚合在Pima S1，并遺傳給美國(guó)皮馬棉，這是皮馬棉產(chǎn)量高的原因之一。通過(guò)解析海島棉纖維品質(zhì)和產(chǎn)量的遺傳構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，所有衣分位點(diǎn)的有利等位變異均與纖維品質(zhì)顯著負(fù)相關(guān)，這表明海島棉的衣分和纖維品質(zhì)間存在權(quán)衡關(guān)系；相反，三個(gè)與纖維品質(zhì)相關(guān)位點(diǎn)的優(yōu)異等位變異(FL1、FL3和FL4/FS2)可在不影響海島棉衣分的前提下進(jìn)一步改良纖維品質(zhì)，其中FL4/FS2已經(jīng)被應(yīng)用于新海棉的纖維品質(zhì)改良，而FL3的優(yōu)異等位變異在海島棉群體的頻率較低，尚未被充分利用。因此，未來(lái)可以通過(guò)種間雜交方式將FL3的優(yōu)異等位變異整合至新海棉中，實(shí)現(xiàn)海島棉纖維產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的同步改良。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生孟慶營(yíng)為該論文的第一作者，袁道軍副教授為通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花團(tuán)隊(duì)張獻(xiàn)龍?jiān)菏俊⒔痣p俠教授、林忠旭教授和王茂軍教授，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)陳全家教授，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所孔杰研究員，石河子大學(xué)聶新輝教授，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)Jonathan F. Wendel教授和美國(guó)農(nóng)業(yè)部作物種質(zhì)資源研究中心主任Joshua A. Udall等參與了該研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新疆自治區(qū)杰出青年基金、國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主創(chuàng)新基金和新疆人才發(fā)展基金XL等的資助。