近日，经作所棉花遗传育种团队与合作单位在国际学术期刊Plant Communications（Q1，IF：8.625）发表了题为“Genome sequence of Gossypium anomalum facilitates interspecific introgression breeding”的研究文章。该研究基于组装的基因组信息在国际上首次获得了棉花二倍体野生种异常棉的高质量渐渗系群体，找回了在棉花进化（驯化）过程中“丢失”的优质纤维和抗旱关键基因。该成果为陆地棉的遗传改良提供了新的思路，为培育突破性品种提供了重要的基因资源和基础材料。

图1 异常棉渐渗系群体的构建及优异基因快速挖掘流程图

作物栽培种基因组在漫长的进化与驯化过程中，一些对农业生产有益的基因由于结构变异等过程而“丢失”。野生种具有栽培种所缺乏的优异基因，可以通过种间杂交恢复栽培种的优异性状。但由于种间杂交的不可交配性和杂种的不育性，棉属野生种在棉花育种中的利用非常有限。该团队利用来自非洲的二倍体B组野生种异常棉与陆地棉栽培种杂交，通过染色体工程技术成功创造了人工六倍体桥梁亲本；利用组装的染色体水平异常棉基因组信息进行多代的基因组选择，将野生种的不同染色体片段导入到陆地棉栽培种中，在国际上首次获得了二倍体野生种的高质量渐渗系群体，共覆盖异常棉基因组约72.22%。在新疆和南京多个环境中对渐渗系进行了农艺性状、产量性状、纤维品质、抗病性和抗逆性等的综合评价，通过表型与基因型间相关性分析，共挖掘到与产量、纤维品质和抗旱性等相关的异常棉来源的优异位点33个。

图2 异常棉渐渗系群体的分子鉴定与细胞学鉴定 

在11号染色体上鉴定了一个在不同环境下能稳定表达且具有显著效应的纤维强度QTL qFS11。利用包含该QTL的单片段渐渗系CSSL59 和轮回亲本苏棉8289 构建了包含2168个单株的F2 群体，通过置换作图将qFS11定位到1.19 Mb的物理距离内，包含49个候选基因。对目标QTL区间重叠的渐渗系CSSL59、CSSL13和苏棉8289开花后20天（20 DPA）的纤维进行了转录组分析，在精细定位的JAAS8037-JAAS8040标记区间内鉴定到12个在CSSL59和CSSL13 20 DPA的纤维中同时上调的差异表达基因，其中9个基因在陆地棉遗传标准系TM-1和异常棉基因组中存在结构变异。其中Goano11G3883在陆地棉TM-1的同源基因GH_A11G3315的第30个外显子中发生了两个位置的移码突变，分别有2个和13个碱基缺失，进而导致5个氨基酸缺失。Goano11G3883编码胼胝质合成酶8（PCSY8P），其活性增强会增加纤维素积累，从而提高纤维强度。通过测定酶活性和胼胝质含量发现，CSSL59的胼胝质合成酶活性和胼胝质含量显著高于苏棉8289（**P<0.01）。因此，推测Goano11G3883是纤维强度QTL qFS11的关键候选基因，在棉属进化或驯化过程中因结构变异而失去功能。

图3 异常棉纤维强度关键基因的克隆

异常棉生长于非洲撒哈拉沙漠边缘，对非生物胁迫有较强的抗性。通过干旱模拟试验，发现5号染色体渐渗系CSSL29、CSSL30和CSSL31抗旱性显著优于轮回亲本，分析渐渗系所含的野生种染色体片段推断标记区间JAAS0803–JAAS5604内含有抗旱关键基因。通过转录组、qRT-PCR、DNA序列变异和病毒诱导的基因沉默VIGS（Virus Induced Gene Silencing）等方法分析确定Goano05G0268为候选基因。序列分析发现陆地棉同源基因在第二个内含子分别有408 bp的缺失和2549 bp、159 bp和2 bp的插入，并且在CDS区存在11个SNP。对过表达Goano05G0268拟南芥进行表型观察和生理生化指标测定，发现过表达株系的抗旱性显著高于野生型拟南芥。异常棉Goano05G0268基因编码一种过氧化物酶，属于抗氧化蛋白超家族。该蛋白参与防止氧化损伤，在干旱适应进化中发挥重要作用，而在陆地棉中该基因因结构变异而功能“丢失”。

图4 异常棉抗旱关键候选基因的克隆

以上研究展现了在进化驯化过程中“丢失”的野生种基因在陆地棉改良中的潜在应用价值，为棉花遗传改良提供了新的思路。

作者：

经作所徐珍珍副研究员、孟珊博士和浙江大学陈杰丹博士为论文的共同第一作者。经作所沈新莲研究员、浙江大学张天真教授和福建农林大学王凯教授为共同通讯作者。九圣禾种业股份有限公司权永刚等参与了此项研究。本研究得到国家自然科学基金等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100350