基因组研究揭示陆地棉基因组进化

2015年4月20日，来自中国农业科学院棉花研究所、深圳华大基因研究院、北京大学、武汉大学等八家国内外研究机构共同完成了四倍体棉花基因组（AADD）的解析。这是继棉花祖先二倍体木本棉A基因组和二倍体雷蒙德氏棉D基因组图谱后发表的第一个四倍体棉花——陆地棉基因组。该研究成果发表在《自然•生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

陆地棉是世界上最重要的纤维作物和多倍体模型作物，占全球商业棉花生产的90%以上。陆地棉的基因组是复杂的异源四倍体，包含了两个二倍体子基因组，因此对其的测序工作非常难以开展。此外,由于基因组比较大而且两个二倍体子基因组高度相似性导致的高比例重复序列，对异源多倍体植物基因组进行组装是一大难题。

在本研究中，研究人员利用BAC-to-BAC组装策略和全基因组测序相结合的方法，成功测序并组装出2,173 Mb的陆地棉基因组序列。他们使用167株重组自交系群体RAD测序数据构建了棉花的高密度遗传图谱，将88.5%的组装结果准确定位至26条染色体。

研究人员将陆地棉（AtDt）和两个已经测序的祖先二倍体棉花木本棉（AA）、雷蒙德氏棉（DD）进行了比较。研究发现，木本棉和雷蒙德氏棉约在1300万年前发生了六倍体化事件，而这种六倍体化事件是所有双子叶植物在进化过程中都经历过的。然后，木本棉和雷蒙德氏棉约在1660万年前经历了一次全基因组复制事件。根据对At和Dt子基因组的推算，现代陆地棉由大约150万年前的两个祖先种杂交而成。在现在的四倍体棉花中，子基因组间发生了至少100个DNA片段的替换。现在，At子基因组的基因比祖先A基因组更多。由于两个子基因组间转座子活性的巨大差别，这些替换的片段推动了四倍体种的纤维生产和提高了纤维质量。研究还发现，一方面，Dt子基因组比At基因组有更高的单碱基突变和非同义突变率。另一方面，与祖先二倍体基因组相比，四倍体基因组的纯化选择压力更小。研究人员预测At子基因组可能经历了与纤维性状相关的正选择。

乙烯是能够促进棉花纤维伸长的一个非常重要的调控分子，在棉花纤维生成过程中，ACO基因调控的产物参与乙烯生物合成的最后关键一步。纤维素合酶在次生细胞壁的细胞生长中扮演着重要的角色。ACO1, ACO3和纤维素合酶间的协同进化可能在提高陆地棉纤维生产方面发挥着重要作用。

华大基因项目负责人范广益表示，陆地棉基因组的解析为后续的多倍体最早阶段的进化研究和探讨四倍体与祖先二倍体的关系提供了新的见解。

文章链接：

Genome sequence of cultivated Upland cotton (Gossypium hirsutum TM-1) provides insights into genome evolution

http://www.nature.com/nbt/journal/vaop/ncurrent/full/nbt.3208.html