华中农业大学Nature Genetics发表基因组研究新进展

　　

生物通报道：华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室，英国杜伦大学等处的研究人员报道了棉花基因组研究领域的重大进展，不仅首次提出了棉花纤维驯化的遗传学基础，而且阐述了驯化对基因转录调控的影响。这对于棉花功能基因组研究和遗传改良工作具有重要指导作用。

这一研究成果公布在3月6日的Nature Genetics杂志上，文章的通讯作者为华中农业大学张献龙教授，以及国杜伦大学Keith Lindsey教授，第一作者为华中农业大学博士生王茂军。张献龙教授研究组曾通过集合远缘杂交、细胞工程和常规育种评价等技术，创制了784份分别以海岛棉、达尔文棉和毛棉等为供体的陆地棉远缘杂交高世代材料，借助分子标记和主要农艺性状系统鉴定，筛选出一批早熟、高产、优质及多抗的棉花新品系。同时他们创建的成熟棉花组织培养技术体系及转基因优良受体材料，已被美国德州理工大学、中国农科院、中国种子集团公司和大北农集团等国内外科研和种子公司应用于棉花基础研究和生物技术育种的应用。

棉花纤维是重要的天然纺织纤维，在国民经济中占据着重要地位。生产上主要棉花栽培种为异源四倍体陆地棉，其生态适应性广，纤维产量占据每年棉花总产量95%以上。从古至今，陆地棉驯化和栽培已有5000年以上。棉花野生种含有大量遗传变异，而长期的人工驯化选择了一些优异的变异，使陆地棉的主要农艺性状发生了显著改变。但是，科学界很少有研究剖析这些性状改变的遗传学基础。

中国的陆地棉栽培始于20世纪初，主要从美国引种。中国的陆地棉遗传资源狭窄，同质性较高，使得遗传育种工作遇到了瓶颈。为了揭示人工驯化对基因组的影响，在最新这项研究中，研究人员从全世界主要棉区收集了31份陆地棉野生种和321份驯化种进行基因组重测序研究。利用这些数据，他们构建了陆地棉的首个综合变异图谱，包括单碱基多态性（SNP），插入/缺失（InDel）和结构变异（SV）。

通过将野生种与驯化种进行比较，这项研究在全基因组范围内鉴定了93个驯化选择区间。这些区间包含大量功能基因，与陆地棉的一些主要农艺性状的形成有关，例如株高，抗病性和纤维品质等。在今后，通过分子育种手段对这些区间进行整合，可以将野生种质用于改良棉花主要农艺性状。

长期的驯化过程显著改变了陆地棉的纤维产量和品质。驯化种产量比野生种高，同时纤维品质比野生种好。驯化种能产生白色纤维，野生种纤维略带棕黄色。为了分析控制这些性状改变的遗传学基础，该项研究首先利用267份材料对纤维品质相关性状进行全基因组关联分析，一共鉴定了19个显著位点，其中有4个位点位于驯化选择区间中。该研究进一步从陆地棉A亚基因组鉴定了一些受到驯化选择的基因，与纤维的长度相关；在D亚基因组鉴定了一些与逆境响应相关基因，这些基因在驯化种中下调表达，可能促进纤维的伸长。

另外，研究发现D亚基因组的类黄酮代谢关键基因受到驯化选择，在驯化种中下调表达，可能与白色纤维的发育相关。在了解这些控制纤维品质性状的重要基因位点之后，研究者可以进一步对棉花纤维品质进行遗传改良。

对作物的人工驯化常常会改变大量基因的表达水平。为了分析基因差异性表达的原因，研究人员巧妙地将DNA酶I酶切测序和三维基因组技术结合起来，鉴定了大量启动子上的顺式调控元件和远距离作用的增强子元件。这些转录调控元件受到了强烈的驯化选择，与基因的差异表达相关。

这项研究是首次在植物中对非编码区的调控变异进行分析，为在其他物种中挖掘功能变异提供了重要参考。

1999年，华中农业大学的棉花分子生物学研究几乎是零基础；短短4年之后，第一篇SCI收录的研究论文诞生；2006年，在Plant Molecular Biology上发表论文；2014年，Nature Communications刊载了他们的重要研究进展。

作者简介：

张献龙，男，华中农业大学教授、博士生导师。“****”第一批百千万工程领军人才，国家教学名师，全国优秀教师，享受国务院政府特贴。兼任作物遗传改良国家重点实验室副主任、中国棉花学会副理事长、湖北省棉麻学会理事长、湖北省遗传学会副理事长、作物学报副主编、棉花学报副主编、华中农业大学学报主编、PLoS ONE、Plant Biotechnology Journal编委等。主要研究方向为棉花细胞离体发育及调控机制、棉花杂种优势利用、棉花纤维发育机制及关键基因功能分析、棉花抗黄萎病机制及防控。
曾在加拿大、美国和英国分别从事访问研究。主持 “973”、“863”、“948”、国家自然科学基金、国家转基因植物研究专项、农业领域国家公益性行业专项等课题。带领的棉花科研团队是湖北省科技创新团队。培育出“华杂棉1号”、“华杂棉2号”、“华惠103”、“华杂棉H318”和“华杂棉4号”等棉花新品种。发表SCI论文80多篇，主编参编教材或专著8部。获国家科技进步二等奖1项，湖北省科技进步一等奖2项，发明二等奖1项，教育部自然科学二等奖1项。国家教学一等奖1项，湖北省教学成果特等奖1项。指导的博士学位论文获2008全国优秀百篇博士学位论文。另有两篇博士论文获全国优秀百篇博士论文提名，5篇博士论文当选湖北省优秀博士论文。

原文标题：

Asymmetric subgenome selection and cis-regulatory divergence during cotton domestication
Nature Genetics (2017) doi:10.1038/ng.3807