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棉花遗传改良团队通过代谢组学和细胞壁多糖组学解析纤维长度的调控模型
来源: 时间:2025-07-03

南湖新闻网讯(通讯员 刘睿扬)棉花纤维作为一种重要的天然纤维,是纺织工业的主要原料。棉纤维的胞内和细胞壁的代谢物会影响纤维细胞伸长和细胞壁的合成过程,对成熟纤维长度有重要作用,然而纤维内代谢物的遗传机制及对成熟纤维长度的影响尚不清楚。

近日,我室棉花遗传改良团队在杂志New Phytologist发表题为“Identification of genetic basis underlying mature cotton fiber length through metabolite-based genome wide association analysis”的研究论文。该研究通过对251份棉花自然群体的15DPA纤维进行非靶向代谢物测定以及20DPA纤维进行细胞壁多糖测定,结合群体重测序及表达谱数据,鉴定出一系列可用于改善棉纤维长度的遗传位点,提出一个新的成熟纤维长度的遗传代谢调控模型。

该团队使用液相色谱-串联质谱方法(liquid chromatography-tandem mass spectrometry ,LC-MS/MS)对251份棉花自然群体进行代谢谱分析,对15DPA棉纤维的代谢产物进行了表征。代谢数据分析鉴定出857种代谢物,对各类代谢产物的变异系数(CV, %)进行分析(图1),约16%的代谢产物的CV大于50%。广义遗传力(H2)分析发现(图1),有超过65%的代谢产物的H2大于0.5。这表明代谢产物可以为群体遗传研究的性状。此外通过Pearson相关分析,对这些代谢物进行了特征分析。

图1 代谢产物的CV、H2以及特征分析

此前,课题组基于群体的基因组信息,建立了包含2,372,767个SNP的数据集。采用线性混合模型对857个代谢产物进行了mGWAS。初步鉴定到 A06的热点区域(75~100Mb)与15DPA的代谢产物显著相关,并具有最密集的mQTL。显著SNPs的分布表明,大多数代谢物(主要注释为寡肽、AA和AA衍生物)与染色体A06中85 - 96.2 Mb的SNPs相关(图2)。连锁不平衡(LD)分析显示,该区域的SNPs具有很强的连锁效应。结合单倍型分析,Hap2和Hap3棉花种质中积累的代谢物更多。此外,比较3种单倍型间成熟纤维性状的差异,纤维长度、皮棉百分比和纤维长度均匀度的差异较大, 确定Hap3是纤维表型更佳的优良单倍型。

图2 A06染色体上一个热点区域(85.09-96.18 Mb)与15 DPA纤维代谢物含量及成熟纤维性状高度相关

最显著的SNPs位于block1 (85.09 ~ 90.22 Mb)和block4 (93.75 ~ 96.18 Mb),这两个位点是可能性最大的候选区间。对此区间的候选基因的表达模式、单倍型间的表型差异、以及种质间的表达量差异进行分析,确定了两个候选基因Ghir_A06G013480Ghir_A06G014150

通过与mQTL有关联的193个代谢物与棉花群体成熟纤维性状进行Pearson相关分析。大部分代谢物(101/193)与纤维长度、皮棉百分比和长度均匀度呈强正相关。对与101个代谢物显著相关的基因进行GO富集分析,发现主要富集在植物细胞壁生物发生、角质层发育、脂质代谢和超长链脂肪酸代谢通路中(图3)。

基于GC-MS的方法,对群体的20DPA棉纤维样品进行定量细胞壁多糖组分析,共鉴定出10种多糖成分。15DPA代谢物与20DPA细胞壁多糖之间的相关性分析表明,大多数代谢物与纤维素呈负相关;结合单倍型分析,qA06:85-96.2Mb位点的Hap3基因型种质积累了更少的纤维素,但其纤维长度等品质更好,表明纤维伸长到次生壁加厚的转换期过多纤维素积累会对成熟纤维性状产生负面影响。

图3 15 DPA纤维中qA06:85-96.2Mb位点相关代谢物与20 DPA纤维细胞壁多糖组成高度相关

对纤维细胞壁多糖组分进行GWAS分析,鉴定到多个显著的QTL位点。其中8种成分:鼠李糖半乳糖醛酸(Rhamnogalacturonan), 阿拉伯聚糖(Arabinan), I型阿拉伯半乳聚糖(I-Arabinogalactan),II 型阿拉伯半乳聚糖(II-Arabinogalactan),异质木聚糖(Heteroxylan),异质甘露聚糖(Heteromannan),木葡聚糖(Xyloglucan)和纤维素(Cellulose)在D11染色体的24.2-24.8 Mb区域具有相同的QTL位点,此前报道的候选基因GhKRP6 (Ghir_D11G020340)位于该区间内。群体在D11染色体24.2-24.8 Mb内可分为3个单倍型,单倍型Hap1和Hap2的纤维长度大于Hap3,更多的纤维素和胼胝质的含量在Hap3中明显积累,与次生细胞壁纤维素合成相关的基因(CESA4CESA7CESA8)在Hap3中的平均表达水平明显高于Hap1和Hap2(图4)。

图4 qFL9/qCel2位点与纤维次生细胞壁生物合成高度相关

进一步对关键候选基因GhKRP6 (Ghir_D11G020340)进行遗传转化,验证了棉纤维发育过程中GhKRP6G通过对细胞壁多糖沉积的精确调控来控制棉花成熟纤维长度。将两个不同阶段纤维样本的代谢组数据集连接起来,对QTL q06:85-96.2 Mb热点和qFL9位点进行联合单倍型分析,最终提出了一个成熟纤维长度的遗传代谢调控模型(图5)。

图5 成熟纤维长度的代谢遗传调控模型

该研究借助非靶向代谢物测定、细胞壁多糖测定,丰富了棉花mGWAS的相关研究,结合群体基因组信息和多年多点的群体成熟纤维表型,提出了成熟纤维长度的遗传调控模型,为通过遗传和精细地修改代谢物和细胞壁属性来改善成熟纤维长度提供了新思路。

王鹏程博士(现就职于云南大学)、李中华博士(现就职于海南大学)和在读博士生刘睿扬为该论文的共同第一作者,涂礼莉教授、海南大学罗杰教授和澳大利亚CSIRO的Filomena Pettolino博士为共同通讯作者。华中农业大学棉花研究团队张献龙院士、尤春源研究员指导了该研究。该研究工作得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金面上项目和青年基金等项目的资助。

全文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70265

审核人 涂礼莉

南湖新闻网链接:https://news.hzau.edu.cn/info/1010/40618.htm