南京农业大学联合诺禾致源破译四倍体棉花基因组

　　南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室、北京诺禾致源、美国德克萨斯大学的研究人员共同完成了陆地棉基因组的测序工作。相应的研究成果《Sequencing of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum L. acc. TM-1) provides a resource for fibre improvement》于2015年4月发表于国际顶尖杂志《自然-生物技术》（Nature Biotechnology，IF：39.08）。其中，南京农业大学张天真、诺禾致源基因组团队负责人江文恺等人为论文共同第一作者，南京农业大学张天真教授、陈增建教授、郭旺珍教授、诺禾致源李瑞强博士等为论文共同通讯作者。

研究背景：

　　陆地棉（Gossypium hirsutum L.）隶属锦葵目（Malvales），锦葵科（Malvaceae），棉属（Gossypium），因最早在美洲大陆种植而得名，是世界上最重要的棉花栽培品种，占全球棉花种植面积的90%以上。尽管陆地棉在棉花产业中占据核心地位，但由于其为异源四倍体，相关的全基因组测序工作一直难以开展。来自南京农业大学、北京诺禾致源、美国德克萨斯大学的国际团队，利用最新测序技术，成功构建了高质量的陆地棉全基因组图谱，为进一步改良棉花的农艺性状提供了基础，同时也为多倍体植物的形成和演化机制提供了新的启示。

研究方法：

　　选取陆地棉遗传标准系TM-1，利用Illumina Hiseq2500平台PE100测序，测序深度为245×，采用SOAPdenovo软件进行组装，在此基础上，结合17万对BAC末端序列和高密度的遗传图谱，获得了高质量的全基因组图谱。利用TM-1的全基因组序列，对四倍体棉花中两个亚基因组的非对称进化机制进行了解析。同时，对棉纤维发育相关的重要基因展开了深入研究。

研究结果：

　　1、陆地棉基因图谱绘制：
陆地棉基因组大小为2.5G，组装结果Contig N50达到34Kb，Scaffold N50 达到1.6 Mb，其中92%的scaffold可定位到染色体上。组装结果优于目前已测序的多倍体植物油菜 (N50=764 kb)、 烟草（N50=345~386 kb）等。
　　2、A亚组和D亚组非对称进化：
通过比较陆地棉（AADD）、雷蒙德氏棉（DD）和亚洲棉（AA）的基因组序列，估算出陆地棉形成于一百万至一百五十万年前。在陆地棉形成后的一百多万年内，A亚组不仅有更高的蛋白质进化速率，其染色体重排发生频率与及基因丢失和失活的频率均显著高于D亚组（见图1）。
　　3、A亚组和D亚组对陆地棉性状的互补性贡献：
选择分析发现811个正选择基因（470个在A亚组，341个在D亚组），在A亚组中，正选择基因与纤维长度的发育有重要关系；而在D亚组中，正选择基因多与抗性有关。该结果表明陆地棉继承了两个祖先种中各自的优良性状，因此具有良好的纤维品质及广泛的适应性。
　　4、棉纤维关键基因的表达及进化分析：
对MYB、CESA等纤维发育相关的重要基因开展了表达及进化分析。MYB基因家族中的一个分支在纤维发育中起重要的作用（见图2）；陆地棉中多个CESA基因在驯化过程中受到了显著的正选择作用，可能与棉纤维品质的改良有直接关系。

Zhang TZ, Hu Y, Jiang WK, . et. al. Sequencing of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum L. acc. TM-1) provides a resource for fibre improvement.