五个异源四倍体棉花起源被厘清

棉花染色体特征及种间基因组差异的分布。南京农业大学供应图

棉花的进化

棉花起源于哪里，它是如何进化的？棉花基因组中隐藏着什么秘密？未来棉花育种改进需要哪些创新？4月20日，《自然遗传学》在线发布了南京农业大学、德克萨斯大学、哈森阿尔法生物技术研究所和德克萨斯A&M大学的合作成果。他们绘制了所有五个异四倍体棉花品种的高精度参考基因组图谱，为探索多倍体植物基因组的进化规律提供了重要的参考依据。

据了解，主要栽培棉花为异源四倍体，其形成经历了复杂的杂交、多倍体化和驯化。大约150万年前，来自非洲的二倍体棉花和来自美国的二倍体棉花杂交并加倍它们的基因组，形成五个异四倍体物种，即陆地棉、海岛棉、毛棉、黄棕色棉和达尔文棉。其中，陆地棉和海岛棉已被驯化成栽培种，而毛棉、棕色棉和达尔文棉是野生种。

然而，由于四倍体基因组本身和基因组测序技术的复杂性，这五个物种的形成和进化尚未被准确揭示。

为了深入分析棉花的进化规律，发现野生棉花品种的优良基因，本研究综合利用第二代(Illumina)和第三代(Pacbio)测序和染色质高级结构捕获(Hi-C)技术构建了所有五个异源四倍体棉花品种的高精度参考基因组。

研究发现，这五个品种的形成是单一起源的，经历了20万至60万年的自然演变，逐渐形成了五个棉花品种。其中，陆地棉和海岛棉经过8000年的独立人工驯化，已经成为最重要的栽培棉。这意味着8000年前，生活在不同地区的人类祖先几乎同时驯化了这两种棉花。

研究还发现，在不同棉花品种的150万年杂交、繁殖和进化过程中，基因的数量和排列没有显著变化。然而，在大约8000年的人工驯化过程中，陆地棉和海岛棉的纤维长度和品质发生了显著变化。

研究表明，虽然陆地棉和海岛棉是独立驯化的，但驯化促进了两种栽培棉花纤维发育基因的共表达网络的一致性。这表明，即使在这两个地方，人类祖先也巧合地优化了相似的基因表达模式，从而增加了两种栽培棉花的纤维长度并改变了颜色。

一般来说，基因重组率低会影响育种效率。该研究揭示多倍体化通过改变表观遗传修饰的水平来抑制遗传重组的速率，这可以通过种间杂交来克服。换句话说，种间杂交可以重新激活基因重组率，从而提高棉花育种效率。

这一成果首次揭示了五种多倍体棉花进化和驯化的遗传和表观遗传规律，并通过种间杂交、表观遗传育种和基因编辑为棉花改良提供了理论支持和独特的基因组资源。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-020-0614-5