陸地棉和海島棉的區別，陸地棉產量高、適應性強；海島棉產量低，纖維品質較優。長久以來，人們一直想解析陸地棉和海島棉在產量、適應性和品質方面差異的原因，并試圖培育出綜合二者高產、纖維優良、適應性強的棉花新品種，但是一直沒有成功。
近日浙江大學農業與生物技術學院教授張天真團隊在《自然—遺傳學》發表研究論文，報道高質量四倍體陸地棉和海島棉的起源及種間分化的遺傳機制，揭示陸地棉廣適性、海島棉優質的遺傳基礎。
實現較完善的基因組組裝
據張天真介紹，棉花屬共包括46個二倍體棉種和5個四倍體棉種，所有的二倍體棉種均可能由1個共同的祖先進化而來，隨后分化為8個基因組，包括A、B、C、D、E、F、G和K。
“而所有的四倍體棉種均由A基因組亞洲棉和D基因組雷蒙德氏棉進行種間雜交加倍形成，是異源四倍體棉種。”張天真告訴《中國科學報》。
研究團隊對兩個異源四倍體棉種——陸地棉TM-1和海島棉Hai7124，進行了超高深度測序，隨后按照測序得到的棉花基因組序列，用DeNovoMAGIC3軟件進行基因組組裝。
值得一提的是，相比已發表的兩個舊版本，新組裝的海島棉Hai7124基因組的連續性分別提高了47倍和90倍，陸地棉TM-1基因組的連續性也提高10-20倍。基因組的完整性，尤其在重復序列富集的著絲粒區域組裝的完整性大幅提升。
張天真表示，此次研究結合了基因組領域最前沿的組裝、光學圖譜等技術，使新組裝的兩個棉種基因組序列的準確性、完整性和連續性均顯著提升，這也為后續四倍體棉花育種的研究奠定堅實基礎。
“參考基因組序列是功能基因組研究的一項非常重要的基礎工作。”中國農業大學農學院教授華金平對《中國科學報》表示，“此次組裝的陸地棉TM-1是第三個、也是目前最完善的版本，反映了我國科學家精益求精、契而不舍的科學精神。海島棉Hai7124序列釋放也代表我國科學家在此領域的最新進展，為海島棉功能基因組研究提供重要依據。”
發現棉種形成和進化的原因
接下來，研究人員使用這兩個組裝良好的基因組棉種，通過全基因組比較分析發現，基因表達、結構變異和擴展基因家族的物種特異性改變，是這兩個棉種形成和進化的原因。
“通過比較陸地棉和海島棉的基因組差異，我們發現在這兩個棉種中各存在很多擴增的特異基因，并推測，其中某些特異基因可能與棉種的特異性狀有關。”張天真介紹，在兩個棉種的基因組中，也發現染色體結構的差異。
研究人員發現，在纖維發育期間，陸地棉和海島棉的膜轉運、糖合成、碳水化合物代謝通路等相關基因差異富集。
其中蔗糖轉運、離子轉運、液泡轉化酶等調控細胞伸長的相關基因，在海島棉纖維發育中的表達持續時間遠長于陸地棉。“這是海島棉纖維品質較優的主要原因。”張天真說。
此外陸地棉中有更多的乙烯、ABA信號調控的基因被激活，而這些基因可以調控棉花對冷、熱等環境的反應，因此這些基因可能與陸地棉的廣適性密切相關。
助力棉種改良馴化棉花
張天真表示，雖我國棉花產量位居世界前列，但我國棉花生產也面臨著重大危機，如棉類型單一、纖維品質差、纖維強度較低等問題。
“因此充分研究棉花基因組功能，對加快選育優質的棉花品種、保證我國棉花產業可持續發展具有非常重要的意義。”
研究人員表示，此次研究發現將有助于闡明棉花的馴化歷史和棉花基因組進化歷程。此外可以進一步研究陸地棉和海島棉基因組中的差異基因，以應用于下一步的棉花育種，提高棉花纖維質量，增強棉花對外界環境的適應性。
“本項研究方法還可以擴展應用到其他作物上，以便更好地了解作物的馴化歷史，改進提升作物品質。”張天真說。
