協(xié)同提高陸地棉品種的產(chǎn)量、品質(zhì)和多逆境抗性是生物技術(shù)育種的重大目標。然而，棉花現(xiàn)代育成品種基因組信息缺乏，育種過程中基因組結(jié)構(gòu)變異規(guī)律和遺傳效應(yīng)仍鮮為人知。2021年8月9日，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬峙英團隊在《自然·遺傳學(xué)》在線發(fā)表“High-quality genome assembly and resequencing of modern cotton cultivars provide resources for crop improvement”研究論文。“該研究破譯了棉花染色體結(jié)構(gòu)變異遺傳‘密碼’，為作物重要性狀改良提供了新的理論依據(jù)和資源。”馬峙英說。

首次組裝了兩個陸、海新品種基因組

該研究率先組裝了我國自育陸地棉現(xiàn)代品種農(nóng)大棉8號（NDM8）和海島棉Pima90的基因組，基因組大小分別為2.29Gb和2.21Gb，Contig N50為13.15Mb和9.24Mb，染色體掛載率為99.57%和99.75%，蛋白編碼基因80124個和79613個，其中1499個和1267個為預(yù)測的新基因。發(fā)現(xiàn)在棉種進化中，Copia和Gypsy轉(zhuǎn)座子對農(nóng)藝性狀的分化起著重要作用。

破譯了海島棉、陸地棉結(jié)構(gòu)變異圖譜

將海島棉Pima90基因組與陸地棉NDM8基因組比對分析，發(fā)現(xiàn)Pima90存在高度的基因組多樣性，共檢測到31296個變異-基因?qū)υ诤u棉組織中顯著特異表達，5815個插入缺失位于5256個基因的外顯子區(qū)。發(fā)現(xiàn)Pima90中編碼蔗糖合酶的基因GbM_D13G2394存在2bp的缺失，在海島棉品種Hai7124和3-79以及漸滲系NDM373-9和魯原343中進一步得以驗證。該基因在海島棉纖維伸長期和次生壁加厚期高表達，對海島棉纖維長度和強度有重要作用。發(fā)現(xiàn)NDM373-9獲得了來自海島棉的171個外顯子區(qū)結(jié)構(gòu)變異，其中有34個和12個基因分別與已報道的抗病性和纖維發(fā)育有關(guān)，證明了海島棉對改良陸地棉的育種價值。

將NDM8基因組和TM-1進行比較，發(fā)現(xiàn)NDM8存在876568個結(jié)構(gòu)變異，其中28626個變異能夠在10~1081個重測序種質(zhì)材料中檢測到。發(fā)現(xiàn)插入和缺失在D亞組上的密度明顯高于A亞組，而且在端粒附近具有偏好性，603個插入缺失位于526個基因的外顯子區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代品種較早期品種獲得了1128個NDM8型結(jié)構(gòu)變異，表明現(xiàn)代育種改良發(fā)揮了重要作用。

揭示了棉花重要性狀結(jié)構(gòu)變異和基因

該研究完成1081份來自于世界各地的陸地棉種質(zhì)資源深度重測序，獲得的304,630個結(jié)構(gòu)變異，結(jié)合大規(guī)模環(huán)境評價獲得的纖維長度、比強度、馬克隆值、鈴重、衣分、子指等表型數(shù)據(jù)和401份資源的黃萎病抗性數(shù)據(jù)進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)346個與品質(zhì)、97個與產(chǎn)量、3個與黃萎病抗性顯著關(guān)聯(lián)的重要結(jié)構(gòu)變異。在Dt11染色體的1個370kb區(qū)域內(nèi)有69個和56個NDM8型結(jié)構(gòu)變異能夠使纖維長度分別從27mm或者28mm級增至29mm級（纖維長度增加1mm，每噸皮棉售價一般可增加300元左右）；在Dt03的2個變異能夠分別使衣分從37.49%增至39.69%、37.47%增至40.00%；在Dt11的3個變異可使棉花抗性反應(yīng)型從感病(DI=44.5~45.2)變?yōu)槟筒?DI=30.9~31.1)。在黃萎病抗性相關(guān)基因中，GhNCS編碼S-去甲烏藥堿合成酶，在耐病品種NDM8和感病品種CCRI8中沉默該基因都導(dǎo)致抗病性顯著增強，使NDM8由耐病變?yōu)榭共?，CCRI8從感病變?yōu)槟筒?，然而擬南芥中過量表達該基因表現(xiàn)為更感病，表明GhNCS是控制黃萎病抗性的一個重要新基因。（河北日報記者王璐丹）