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我室绘制出两个棉花四倍体栽培种的参考基因组

信息来源:作物遗传改良国家重点实验室    发布时间:2018-12-05
2018年12月3日,国际著名期刊Nature Genetics杂志在线发表了我室棉花研究团队的基因组研究最新成果,题为Referencegenome sequences of two cultivated allotetraploid cottons, Gossypiumhirsutum and Gossypium barbadense。该论文介绍了整合多种方法组装得到的异源四倍体栽培种陆地棉和海岛棉的参考基因组序列,为棉花基因组进化和功能基因研究提供了重要参考,对基于基因组的棉花遗传改良具有重要指导作用。

棉花共有四个栽培种,两个二倍体栽培种生产上已不再使用,生产上主要使用的是两个四倍体栽培种,陆地棉和海岛棉。陆地棉是棉花的主要栽培种,其产量高,适应性强。海岛棉的产量低,栽培区域性强,但是其纤维品质比陆地棉优。将海岛棉中控制优异纤维品质的遗传片段导入到陆地棉,改良陆地棉的纤维品质,是我校棉花遗传改良团队长期坚持的目标。尽管已从海岛棉中克隆了一系列功能基因,但这两个棉花基因组存在什么样的差异,究竟哪些基因组片段控制海岛棉优异纤维品质的形成等仍不清楚。虽然两个棉花的基因组草图已经发表,但是由于组装质量和完整性不高,很难直接从全基因组水平进行比较。

为了得到精细的基因组序列,该研究利用第三代测序技术(PacBioRS II),BioNano光学图谱技术和染色质高级结构捕获技术(Hi-C)进行联合组装。与以前发表的基因组草图相比,该项研究组装的基因组序列在连续性和完整性上有极大提高(陆地棉基因组的连续性提高了55倍,海岛棉基因组提高了90倍)。该研究成功组装了高度重复的基因组区域,例如着丝粒。通过比较两个棉花四倍体种的基因组,研究发现二者存在大量的结构变异。通过与二倍体棉花进行比较,发现很多结构变异来自于棉花基因组的异源多倍化事件之后。值得注意的是,该研究发现两个棉花种的14对染色体之间存在染色体臂内和臂间的大片段倒位现象。

为了将这些基因组变异应用到棉花纤维的遗传改良中,该研究对陆地棉和海岛棉之间的遗传导入系材料进行基因组分析,鉴定了13个控制纤维品质的遗传位点。同时,结合纤维发育的转录组数据,探究了这些遗传位点的表达调控机制。该研究对导入系材料的分析为今后通过海岛棉改良陆地棉的种间渐渗育种提供了参考。

我室张献龙教授、林忠旭教授,美国爱荷华州立大学的JoshuaA. Udall教授和英国杜伦大学的Keith Lindsey教授为本文的共同通讯作者。我室王茂军博士、涂礼莉教授和袁道军副教授为本文的共同第一作者。该项研究得到国家自然科学基金、国家转基因专项、博士后创新人才支持计划和中国科协青年人才托举工程的资助。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41588-018-0282-x

延伸阅读:专访王茂军:棉花科研蓓蕾初绽放(2017年采访稿)

 

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