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行业新闻

栽培陆地棉地理分化和纤维品质改良的基因组学

发布时间:2021-04-16 09:58 作者:admin 来源:未知 点击: 字号:

2021年4月15日,由中国农业科学院棉花研究所杜雄明课题组主导完成的题为“The genomic basis of geographic differentiation and fiber improvement in cultivated cotton”的研究成果在《自然·遗传学(Nature Genetics)》上在线发表。本研究发现栽培陆地棉的地理分化和生态适应性主要和两条染色体的大规模倒位相关,同时发掘了陆地棉种质资源中与纤维品质密切相关的新位点,为进一步深入理解陆地棉的适应性演化和提升新品种纤维品质奠定了重要的理论基础。

陆地棉广泛种植于世界各地,是环境适应性最高的栽培棉种。早期的棉花育种家就已注意到陆地棉可能存在不同的生态型,然而这些生态型形成的机制却完全未知。研究人员通过对近3000份陆地棉种质资源基因型进行分析发现,A08和A06两条染色体的大规模倒位引起了整个群体的分化,而分化出的亚群与其不同的地理分布高度吻合,决定了栽培陆地棉内不同生态型的形成。其中,A06和A08染色体的遗传分化与不同亚群的高纬度和低纬度分布密切相关,暗示这些倒位所引起的染色体结构变异可能是陆地棉生态型形成的基因组学基础。同时,研究者还发现这些结构变异主要源自半野生棉,表明陆地棉的生态型分化可能发生在驯化之前,是半野生棉在不同生态环境下经历长期的自然选择所致(图1)。
陆地棉是世界上最重要的天然纤维来源,而纤维品质是陆地棉最重要的性状,直接决定了棉花的经济价值。优异位点聚合是分子育种的核心思想,通过整合多个优异位点,可以有效地改良目标性状。研究人员通过分析1245份陆地棉基因型数据和近8万个纤维品质数据,全面地鉴定和评估了当前栽培陆地棉基因池中与纤维品质相关的优异等位变异的来源和聚合效应,发现携带多位点组合的种质在纤维长度和纤维强度均有显著的提高(图2),优异等位变异数量不足可能是导致当前陆地棉纤维品质改良瓶颈的关键原因。
历史上,国内外棉花育种家开展了广泛的远缘杂交工作,将许多稀有的重要基因转移到栽培陆地棉中,然而受限于技术手段,并未对这些基因进行过深入的研究。本研究从远缘杂交渐渗系中鉴定到两个新的与纤维品质密切关联的优异等位变异,分别源自二倍体栽培种的亚洲棉(G. arboreum)和二倍体野生种瑟伯氏棉(G. thurberi),其中源自亚洲棉的优异等位变异对纤维长度和纤维强度的提升接近15%,拥有显著的纤维品质改良潜力(图3)。这两个优异等位变异的发现,不仅首次从基因组水平证实了育种史上远缘杂交对陆地棉纤维品质的贡献,同时还为大幅度提高陆地棉纤维品质提供了可能的理论依据和优质基因源。

本研究系统地揭示栽培陆地棉地理分布和纤维品质形成的基因组学基础,为陆地棉适应性和纤维品质分子育种提供了大量的数据和基因资源,有效地推动了陆地棉分子育种进程。

本研究成果得到了十三五国家重点研发计划,国家自然科学基金和中国农业科学院创新工程等项目经费资助。棉花研究所何守朴副研究员为论文第一作者,共同第一作者还包括安阳工学院孙高飞副教授、棉花研究所耿晓丽助理研究员和龚文芳副研究员。杜雄明研究员为论文通讯作者。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41588-021-00844-9


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