PNAS | 中国农业科学院棉花研究所刘方/安阳工学院彭仁海团队联合揭示棉花异源四倍体重复基因组进化分歧

多倍化是植物进化的重要机制，使得多倍体植物具有广泛适应能力。常见的多倍体植物有六倍体小麦、四倍体棉花和马铃薯等。野生近缘种为作物改良提供了丰富的遗传资源。包含具有重要经济价值的棉花栽培种陆地棉和海岛棉均为四倍体，可作为研究植物多倍化、分子进化和作物驯化的模式植物。近日，中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室刘方研究员团队联合安阳工学院彭仁海教授团队等国内外多家研究单位，基于系统基因组分析，在全基因组水平探讨了四倍体棉种的多倍化、适应性进化与驯化。相关成果以“Evolutionary divergence of duplicated genomes in newly described allotetraploid cottons”为题发表在美国国家科学院院刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS，IF=12.779）上。

异源四倍体棉花( Gossypium )共包括7个棉种((AD)1 - (AD)7)。其中陆地棉（G. hirsutum，(AD)1）和海岛棉（G. barbadense，(AD)2）为广泛种植的栽培种，其它5个均为野生种。目前人们已经报道并解析了5个四倍体棉种(AD)1 - (AD)5的基因组序列。陆地棉占全球棉花总产量的95%以上，其野生基因组图谱还未曾被报道。而野生棉种艾克曼棉(AD)6（G. ekmanianum)和斯蒂芬氏棉(AD)7（G. stephensii）直到最近才被发现并分类命名。解析这两个新的四倍体棉种基因组信息，标志着异源四倍体棉花的演化拼图的全部完成。

该研究组装注释了最近发现的两个四倍体棉花野生种艾克曼棉（G. ekmanianum, Ge) 和 斯蒂芬氏棉（G. stephensii, Gs)，以及一个早期驯化的陆地棉野生种系（G. hirsutum，race punctatum, Ghp）高质量参考基因组。通过联合先前发表的棉属四倍体其他棉种的完整基因组，解析了棉花在多倍化及适应性进化过程中广泛存在的基因组结构变异（SVs），结合四倍体棉种表型分化、遗传隔离和遗传趋同等因素，阐述了棉花生物多样性和棉花驯化的遗传基础。该研究也发现在棉花驯化过程中，编码磷酸肽结合蛋白的基因结构变异可能与纤维长度多样化有关。该研究不仅填补了四倍体棉种的进化研究的空白，为多倍体基因组进化研究和棉花作物改良提供了宝贵的资源，而且阐述了物种分化过程广泛存在的结构变异有助于物种特异性状的形成。

另外，早期驯化的陆地棉野生种系（Ghp）在环境适应性方面具有丰富的基因资源，该研究证明了野生棉种在基因渗入驯化棉花并增强气候变化适应性能力。发现烯酰辅酶Aδ异构酶3（ECI3）和 乙烯响应因子RAP2-7可能通过靶向植物激素相关的生化途径，提高棉花非生物胁迫耐受性。研究结果弥补了多倍体棉花系统发育研究的缺失，并为培育抗性好、纤维品质高的棉花品种提供了宝贵的遗传材料。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2208496119

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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