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科研进展| 基因组所年轻博士揭示中国棉花演化的遗传学基础

发布时间:2018-05-08 发布来源:

中国农业科学院深圳农业基因组研究所作为国内农业基因组学研究的平台,一直大力推进与国内兄弟单位的协同创新。今年1月11日和华中农业大学、中国农科院蔬菜所等在《细胞(Cell)》发表番茄果实代谢组演化论文。4月26日,和农科院作物所等在《自然(Nature)》发表3000份水稻变异组论文。5月7日,和农科院棉花所、武汉大学在《自然•遗传(Nature Genetics)》共同发表亚洲棉变异组论文。

值得注意的是,论文通讯作者之一是基因组所年轻的林涛博士(1987年出生,现从事博士后研究)。林涛表示这是自己从事科研工作以来发表的第一篇通讯作者论文,在和棉花所杜雄明老师、李付广所长、武大朱玉贤院士的合作中收获良多。

亚洲棉(G. arboreum)原产于印度次大陆,经缅甸、越南传入我国华南地区, 约在12世纪末由华南地区传入长江、黄河流域种植, 进而遍及全国植棉地区。在人工选择和自然选择的长期作用下形成了遗传变异丰富的中国特有的生态地理种系-中棉。然而亚洲棉在华南、长江、黄河流域棉区是否形成了独特的地理生态类型,其产量、纤维品质、生育期、抗逆性等性状是否存在地理分化以及基因型的变异状态等都未曾报道。

该项目收集了分布在不同棉区的230份亚洲棉和13份草棉材料,借助由Pacbio+Hi-C组装的高质量亚洲棉参考基因组进行变异检测,发掘了约1800万个SNP标记,成功构建了棉花A基因组的高质量变异图谱。通过群体结构变异分析发现亚洲棉在中国的传播过程中逐渐形成了华南,黄河及长江流域三种生态型,同一生态型内部的材料在基因型上更为相似,说明亚洲棉在我国已形成独特的生态型特征。群体结构及驯化相关性状分析均表明中国的亚洲棉可能最早来源于华南地区,从南往北逐渐扩散到长江和黄河流域。通过比较不同生态型群体之间的分化程度,共鉴定出163个遗传分化区间,全基因组关联分析发现与抗病性、产量和生育期等性状相关位点位于遗传分化区间中,成功揭示了人工选择及生态地理对基因组的影响(图1)。

图1 亚洲棉群体结构和分化

合作团队通过全基因组关联分析从亚洲棉中成功地鉴定出了一批与抗病、油分等相关的候选基因。枯萎病是危害棉花生产的主要病害之一,通过关联分析,发现了决定亚洲棉抗病性的关键变异位点,此位点变异使得谷胱甘肽转移酶基因启动子上的顺式作用元件发生变化,进而影响病菌入侵时基因表达水平,从而使得棉花细胞的“解毒”能力增强。同时,该位点的单体型在群体中的分布存在明显地域特征,即感病位点在群体中的比例从南方到长江流域,再到黄河流域呈现降低趋势,说明亚洲棉群体中抗枯萎病性状是一个典型的受到地理选择的性状。棉花除了提供优质的纤维材料,还是重要的油料作物。通过关联分析,发现了决定亚洲棉种子棕榈酸(C16:0)和棕榈油酸(C16:1)含量差异的关键变异位点(T->C),此位点的变异导致3-酮脂-ACP合成酶的活性发生变化,在种子形成30天后C单体型材料开始迅速积累棕榈酸和棕榈油酸。

该研究成果为深入解析亚洲棉在中国形成独特生态型的遗传适应机理,以及高效利用亚洲棉的优异性状奠定了基础。中国农科院棉花所杜雄明为第一作者,棉花所何守朴、杨召恩、马雄风,北京大学黄盖,安阳工学院孙高飞和基因组所李楠为共同第一作者。棉花所李付广,武汉大学朱玉贤和基因组所林涛为通讯作者(图2)。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金、中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金、科技部重点研发计划、广东省领军人才等项目经费的资助。

图2 协同创新团队部分成员