記者從中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所獲悉，該所研究員李付廣、楊召恩團隊繪制了陸地棉進化路線圖，揭示了染色體大片段變異調(diào)控種群遺傳多樣性、環(huán)境適應性的遺傳機制，破解了纖維品質(zhì)性狀形成的遺傳架構(gòu)，開辟了棉花優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制的新路徑。相關(guān)成果發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然·遺傳學》上。
種質(zhì)是指將遺傳信息傳遞給后代的遺傳物質(zhì)或材料。當前，區(qū)域化集中種植帶來了棉花品種遺傳多樣性銳減、同質(zhì)化明顯等挑戰(zhàn)。探尋陸地棉進化的分子軌跡、發(fā)掘棉花種質(zhì)中尚未被育種利用的優(yōu)異基因、創(chuàng)制新種質(zhì)是破解上述難題的重要途徑。
研究團隊利用107份陸地棉代表性種質(zhì)，構(gòu)建了超級泛基因組，即包含陸地棉野生種和栽培種基因組信息的總和；首次發(fā)現(xiàn)陸地棉種內(nèi)A03-A09存在的染色體易位事件，顯著影響了其種群分化和區(qū)域適應性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在栽培陸地棉形成之前，野生陸地棉、半野生陸地棉曾經(jīng)歷三個階段的結(jié)構(gòu)變異，以這些結(jié)構(gòu)變異為標記可將陸地棉細分為32種單倍型，但現(xiàn)代栽培種僅源于其中一個單倍型，遺傳基礎(chǔ)狹窄。
該研究揭示了陸地棉泛基因組中廣泛存在與抗病密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異。其中，通過對抗病免疫受體編碼基因NLR家族的分析，鑒定出了抗黃萎病新位點，揭示了NLR基因家族演化規(guī)律。同時，標記鑒定出了69個與纖維品質(zhì)相關(guān)的位點，其中62個為以前未檢測到的新位點，還發(fā)現(xiàn)了調(diào)控纖維強度與種子大小的多效基因等。
該研究還系統(tǒng)繪制了陸地棉中127個大尺度倒位的全基因組分布圖譜，揭示其在抗蟲性與纖維色澤等重要性狀中的關(guān)鍵作用。比如在A06染色體上，一個3.9Mb的倒位顯著提升葉片表皮毛密度，并與抗蟲性相關(guān)；在A07染色體，Lc1位點所決定的棕色纖維表型由兩種不同的倒位單倍型控制。上述功能倒位均與區(qū)域內(nèi)數(shù)百個基因緊密連鎖，因此，在選擇高抗蟲性或理想纖維色澤時，可能會在無意中引入大量非目標性狀的基因，即“連鎖累贅”。這一發(fā)現(xiàn)揭示了傳統(tǒng)育種中性狀改良所面臨的潛在代價，提出了“打破不利連鎖、實現(xiàn)精準編輯”的新育種策略。
對此，中國工程院院士、華中農(nóng)業(yè)大學教授張獻龍表示，李付廣、楊召恩團隊從3600多份種質(zhì)中篩選出107份代表性材料，構(gòu)建了全球規(guī)模最大、遺傳多樣性最廣泛的陸地棉圖形泛基因組圖譜，首次揭示核糖體DNA（rDNA）在群體中的演化規(guī)律，為厘清陸地棉遺傳多樣性和表型變異提供了新的科學依據(jù)。該研究還重構(gòu)了陸地棉在美洲的起源與擴散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大尺度結(jié)構(gòu)變異是其環(huán)境適應性分化的核心驅(qū)動力；繪制了首個陸地棉全基因組倒位全景圖譜，為高效分子設計育種提供了理論基礎(chǔ)、精準靶點和設計工具。
