农学院祝水金团队在Plant Communications发文解析比克氏棉全基因组进化规律及其色素腺体和棉酚形成机制

　　

2022年8月10日，农学院祝水金团队在Plant Communications杂志发表了题为“A reference-grade genome assembly for Gossypium bickii and insights into its genome evolution and formation of pigment gland and gossypol”的研究论文。该文解析了具有“子叶色素腺体延缓形成”性状的野生棉种比克氏棉（Gossypium bickii，G₁）的全基因组序列，揭示了该棉种的进化规律及其色素腺体和棉酚的形成机制。

棉花是重要的经济作物，棉籽中含有丰富的油分及蛋白质。一般棉花具有色素腺体，其中含有对棉花抗病虫害具有重要作用的棉酚及其衍生物会限制棉籽的食用和饲用。而无色素腺体棉花的棉籽中棉酚含量低可直接食用或饲用，但又因其植株低棉酚而大幅降低了对病虫害的抵御能力。因此，具有“子叶色素腺体延缓形成”性状的野生棉种比克氏棉则具有“种子无色素腺体、植株有色素腺体”的性状，该性状既能防病虫害，又能充分利用棉籽资源，具有重要的育种价值。

该研究通过Illumina测序、PacBio测序和Hi-C辅助组装技术，对比克氏棉进行全基因组测序及组装，测序获得全长1,776.06 Mb的高质量全基因组序列，成功将比克氏棉的DNA序列挂载到13条染色体上，基因组组装具有较高的完整度和连续性，达到了参考基因组级别。

图1 比克氏棉表型（A）、染色体特征（B）和叶绿体特征（C）

 

研究发现比克氏棉基因组与同G基因组的澳洲棉（Gossypium australe，G₂）亲缘关系最近，其次是A基因组，与D基因组最远。此外还鉴定出多个G基因组和比克氏棉基因组特有的染色体结构变异，包括G基因组5号和13号染色体上特有的两个易位片段，以及比克氏棉与澳洲棉12号和13号染色体间特有的两个倒位片段。该研究通过对比克氏棉、澳洲棉、纳尔逊氏棉（Gossypium nelsonii，G₃）和斯特提棉（Gossypium sturtianum，C₁）四个棉种进行叶绿体基因组测序、基因组重测序以及亲缘关系分析，表明比克氏棉叶绿体基因组与C基因组的斯特提棉亲缘关系较近，而其核基因组与G基因组的澳洲棉和纳尔逊氏棉更接近。证实了比克氏棉“双系起源”的假说，即比克氏棉以斯特提棉的祖先种为母本，澳洲棉和纳尔逊氏棉的祖先种为父本通过杂交进化而来。此外，该研究还通过比较转录组学分析并结合VIGS验证，挖掘出一个与棉酚合成相关的细胞色素P450基因GbiCYP76B6，沉默该基因后使比克氏棉棉酚含量显著下降，且该基因受腺体形成转录因子GoPGF的调控，为培育种子无色素腺体、植株有色素腺体的新型低酚棉栽培种提供了理论基础。

图2 比克氏棉的双系起源

 

该论文第一作者为浙江大学农业与生物技术学院博士生盛况和孙悦，以及诺禾致源生物技术有限公司刘孟，通讯作者为赵天伦特聘副研究员、陈进红教授和祝水金教授，该研究得到了国家重点研发计划项目，国家棉花产业体系岗位科学家项目和江苏省现代作物生产协同创新中心的资助。

论文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259034622200253X?via%3Dihub