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643份重测序!华中农大在棉花遗传改良研究中取得新突破

2021-03-23 13:29:00 来源:中国生物技术网 作者:

近日,Advanced Science在线发表了来自华中农大棉花团队袁道军副教授与爱荷华州立大学、美国农业部合作题为“Parallel and intertwining threads of domestication in allopolyloid cotton”研究论文,该研究研究对643份异源四倍体棉花深度重测序了,综合已发表的1000余份棉花重测序资源,构建了异源四倍体棉花的系统发生树,量化了其遗传多样性和瓶颈,获得了驯化选择和遗传改良的基因组选择区间,确定了陆地棉、海岛棉驯化起源和扩散的平行路径,并揭示了两个栽培棉种间的相互渗透规律,为棉花遗传改良提供了理论指导和丰富的遗传资源。

棉花(Gossypium spp.)是世界上最重要的经济作物之一,是天然可再生纤维、食用油和蛋白质的重要来源。目前世界上广泛种植的棉花是两个异缘四倍体棉种:陆地棉(G. hirsutum L.)和海岛棉(G. barbadense L.) ,产出全世界97%以上的纤维。两个棉种均起源于美洲,在至少4000年前被人类驯化。人工驯化和遗传改良过程改变了棉花种子休眠丧失、纤维变长变白变多、光周期敏感性丢失等表型性状。

为了探究导致这些表型改变原因,以及人类在驯化和遗传改良过程中选择和丢弃了哪些基因组,同时为了解决由于缺乏野生型和农家种的种质资源和基因组遗传信息,无法准确剖析棉花驯化和改良的深层次遗传机理而制约棉花的品种改良,研究团队开展了一系列研究。

研究挑选643份具有广泛代表性的异源四倍体棉花种质资源,其中352份是野生型和农家种,采用PCR-free的建库方法,利用二代测序平台illumina测序,共获得42Tb的干净碱基,平均每个样本有效测序深度高达23倍。研究人员整合已释放的棉花重测序数据,经过筛选,保留了1024份异源四倍体棉花材料进行下一步分析。在7个异源四倍体棉种中共检测出53.7Mb高质量的单碱基多态性位点(SNPs)和5.9Mb的短插入缺失位点(InDels,<10bp)。利用这些SNPs信息,构建了异源四倍体棉种的系统发生树,量化了7个异缘四倍体棉种的遗传多样性及种间的群体分化程度,确定了陆地棉和海岛棉单次起源而平行独立驯化的关系。

通过主成分、群体结构和系统发生树分析,确立了陆地棉和海岛棉的亚群分类,全面勾绘出两个棉种的起源、驯化和遗传改良的路径,全面评估了陆地棉和海岛棉各个亚群的遗传多样性和驯化瓶颈。研究还检测出两个棉种的驯化选择位点,发现两个棉种的驯化选择相互独立,在两个亚基因组间存在不对称性。另外还发现两个棉种在驯化和遗传改良过程中存在相互渗透的复杂关系,且在物种间和亚基因组间均存在不对称性。

本研究极大丰富了棉花的遗传信息资源,揭示了棉花驯化选择的遗传变异规律和机制,为棉花进一步开发新的种质资源、更有效地改良品种提供理论基础和指导。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003634