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陸海棉有望“聯(lián)姻”育新種

發(fā)布時間:2022-06-13 09:54:00來源: 中國科學(xué)報

  棉花共有4個栽培種,其中經(jīng)濟(jì)價值較高的是2個四倍體栽培種——陸地棉和海島棉。讓陸地棉和海島棉“聯(lián)手”,將海島棉的優(yōu)質(zhì)、抗性基因“引入”到高產(chǎn)陸地棉中,從而培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗的棉花新品種,一直是育種家孜孜以求的目標(biāo)。

  河北農(nóng)業(yè)大學(xué)華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實驗室教授馬峙英團(tuán)隊率先組裝了陸地棉和海島棉現(xiàn)代品種基因組,破譯了海陸種間、陸陸種內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)變異及其規(guī)律,揭示了陸地棉大規(guī)模種質(zhì)材料結(jié)構(gòu)變異的遺傳效應(yīng),為作物重要性狀改良提供了新的理論依據(jù)和資源。8月9日,相關(guān)論文在線發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》。

  首次組裝陸?,F(xiàn)代品種高質(zhì)量基因組

  陸地棉產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng),占全球棉花總產(chǎn)量90%以上;海島棉產(chǎn)量低、纖維品質(zhì)優(yōu)良、抗病性好,約占全球棉花產(chǎn)量10%。長期以來,育種家在獲得多逆境抗性的同時,一直努力通過協(xié)同提高產(chǎn)量和品質(zhì)來培育陸地棉新品種,將海島棉的優(yōu)異性狀轉(zhuǎn)育到陸地棉中,以進(jìn)一步改良品質(zhì)和抗性。

  然而,論文第一作者、共同通訊作者馬峙英告訴《中國科學(xué)報》,人們對棉花現(xiàn)代育成品種的基因組信息、現(xiàn)代育種過程中基因組的結(jié)構(gòu)變異仍缺乏深入了解,有關(guān)棉花結(jié)構(gòu)變異的遺傳效應(yīng)鮮為人知。

  陸地棉和海島棉都是由二倍體A基因組和D基因組共同組成的異源四倍體AADD基因組,是由A基因組和D基因組通過自然雜交和染色體加倍而形成。

  馬峙英介紹,他們率先組裝了陸、海現(xiàn)代品種高質(zhì)量基因組,并發(fā)現(xiàn)上千個棉屬新基因。農(nóng)大棉8號(NDM8)是我國自育陸地棉現(xiàn)代品種,優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗;Pima90是我國從Pima棉中系選獲得的海島棉新品系,抗病優(yōu)質(zhì),長期用于棉花抗病遺傳、QTL定位和基因克隆及分子育種。

  該團(tuán)隊組裝的農(nóng)大棉8號和Pima90兩個品種的基因組大小分別為2.29Gb和2.21Gb,基因組錨定率分別為99.57%和99.75%。他們在農(nóng)大棉8號中鑒定出80124個基因,其中1499個為預(yù)測的新基因;在Pima90中鑒定到79613個基因,其中1267個為預(yù)測的新基因。

  破譯海陸棉基因組結(jié)構(gòu)變異圖譜

  此前,科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多基因組中的單核苷酸多態(tài)性對棉花性狀產(chǎn)生的影響。馬峙英告訴《中國科學(xué)報》,單核苷酸多態(tài)性是一個堿基發(fā)生變化,實際上,影響基因表達(dá)和功能的還有染色體結(jié)構(gòu)變異,后者的影響更大。

  染色體結(jié)構(gòu)變異的類型有堿基的缺失、重復(fù)、倒位、易位等,往往是多個堿基同時發(fā)生變異?!斑@些變異對基因的轉(zhuǎn)錄翻譯產(chǎn)生了很大影響,對育種家關(guān)心的經(jīng)濟(jì)性狀變化影響比較大?!瘪R峙英說,他們發(fā)現(xiàn)了一批影響基因表達(dá)的新變異。

  論文共同通訊作者、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授王省芬告訴《中國科學(xué)報》,為了在陸地棉現(xiàn)代育種中潛在有效地利用海島棉基因組變異,該團(tuán)隊比對分析了Pima90與農(nóng)大棉8號基因組。

  他們發(fā)現(xiàn),海島棉存在高度的基因組多樣性:插入和缺失在D亞組上的密度明顯高于A亞組;31296個變異—基因?qū)υ诤u棉組織中顯著特異表達(dá);5815個插入缺失位于5256個基因的外顯子區(qū),其中3178個變異影響了基因轉(zhuǎn)錄。

  而且,Pima90中編碼蔗糖合酶的基因存在小片段的缺失。該基因在纖維伸長期和次生壁加厚期高表達(dá),對海島棉纖維長度和強(qiáng)度的形成有重要作用。追蹤利用Pima90育成的新材料農(nóng)大373-9的基因組序列,發(fā)現(xiàn)該材料導(dǎo)入了Pima90中編碼蔗糖合酶的基因。此外,該材料還獲得了來自于Pima90的其他171個外顯子區(qū)結(jié)構(gòu)變異,表明了海島棉對陸地棉改良的可行性。

  為了探明陸地棉現(xiàn)代品種的基因組變化,他們又將農(nóng)大棉8號基因組與早期品種TM-1基因組進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)農(nóng)大棉8號存在76568個結(jié)構(gòu)變異,其中28626個結(jié)構(gòu)變異能夠在10~1081個重測序種質(zhì)材料中檢測到。與海島棉類似,農(nóng)大棉8號基因組的插入和缺失在D亞組上的密度明顯高于A亞組。然而,陸地棉基因組的插入和缺失在端粒附近具有偏好性,是染色體其他區(qū)域的3.71倍。

  此外,編碼肉桂酰輔酶A還原酶的基因在TM-1中存在1個缺失,影響了抗黃萎病功能。群體樣本分析還發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代品種較早期品種獲得了1128個NDM8型結(jié)構(gòu)變異,反映了現(xiàn)代育種改良進(jìn)程的選擇效應(yīng)。

  探明陸地棉結(jié)構(gòu)變異遺傳效應(yīng)

  獲得了海島棉和陸地棉的結(jié)構(gòu)變異圖譜后,他們又將結(jié)構(gòu)變異對棉花重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳效應(yīng)進(jìn)行了分析。

  論文共同通訊作者、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張艷告訴《中國科學(xué)報》,為探明基因組結(jié)構(gòu)變異對重要性狀的遺傳效應(yīng),他們對1081份世界各地的陸地棉種質(zhì)資源深度重測序,以農(nóng)大棉8號為參考基因組獲得了304630個結(jié)構(gòu)變異,結(jié)合大規(guī)模多環(huán)境評價獲得的纖維長度、強(qiáng)度、鈴重、衣分和黃萎病抗性數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)了446個與重要性狀顯著關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)變異。

  研究發(fā)現(xiàn),品質(zhì)性狀的結(jié)構(gòu)變異主要位于D亞組,而產(chǎn)量性狀的變異主要位于A亞組。在907個與纖維品質(zhì)、產(chǎn)量相關(guān)的基因中,84.23%的基因在纖維不同發(fā)育時期表達(dá)。

  纖維長度是棉花最重要的經(jīng)濟(jì)性狀之一。據(jù)介紹,纖維長度增加1毫米(mm),每噸皮棉售價一般可增加300元左右。在陸地棉D(zhuǎn)t11染色體上,有69個結(jié)構(gòu)變異能夠使纖維長度顯著增加0.71~0.99mm,56個結(jié)構(gòu)變異能夠顯著增加1.00~1.19mm。如此可使纖維長度從27mm或者28mm級別增至29mm級別。

  此外,黃萎病是影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的重要病害。他們發(fā)現(xiàn),在陸地棉D(zhuǎn)t11染色體的3個結(jié)構(gòu)變異能夠使棉花黃萎病病情指數(shù)大大降低,讓棉花從感病變?yōu)槟筒 ?/p>

  在發(fā)現(xiàn)的60個抗黃萎病相關(guān)基因中,編碼S—去甲烏藥堿合成酶的基因GhNCS在抗黃萎病品種中的表達(dá)量顯著低于感病品種,沉默該基因?qū)е驴共⌒燥@著增強(qiáng):可以使NDM8由耐病變?yōu)榭共?,使棉花品種CCRI8從感病變?yōu)槟筒?。“這證明GhNCS是控制黃萎病抗性的一個重要新基因?!睆埰G說。

    記者 李晨

(責(zé)編: 李雨潼)

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