棉花基因組測(cè)序研究進(jìn)展

1、棉花基因組測(cè)序研究進(jìn)展1內(nèi)容提要棉屬簡(jiǎn)介及分類國際棉花基因組測(cè)序計(jì)劃棉花基因組測(cè)序的成果棉花基因組測(cè)序的意義及展望2棉花簡(jiǎn)介棉花是全球最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。它的纖維，俗稱皮棉，是紡織工業(yè)主要的天然資源。大約3300萬公頃（約占世界5%的耕地）用于棉花種植。2011年全球紡織工廠年度市場(chǎng)價(jià)值大約為6306億美元。除了它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，棉花也是一種研究多倍體化、細(xì)胞伸長和細(xì)胞壁生物合成的極好的模式系統(tǒng)。3棉花分類根據(jù)纖維的長度和外觀分類【粗絨棉】-也叫亞洲棉，原產(chǎn)印度。由于產(chǎn)量低、纖維粗短，不適合機(jī)器紡織?！鹃L絨棉】-也叫海島棉，原產(chǎn)南美洲。纖維長、強(qiáng)度高是其特點(diǎn)，適合于紡高支紗。中國只有新疆生產(chǎn)?！?/p>

2、細(xì)絨棉】-也叫陸地棉，原產(chǎn)中美洲，所以又稱美棉。適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高、纖維較長、品質(zhì)較好是其特點(diǎn)，可紡中支紗1。4根據(jù)棉花的品種分類細(xì)絨棉：又稱陸地棉。纖維線密度和長度中等，一般長度為2535mm，線密度為2.121.56 dtex（47006400公支）左右，強(qiáng)力在4.5cN左右。中國種植的棉花大多屬于此類。長絨棉：又稱海島棉。纖維細(xì)而長，一般長度在33mm以上，線密度在1.541.18dtex（65008500公支）左右，強(qiáng)力在4.5cN以上。它的品質(zhì)優(yōu)良，主要用于編制細(xì)于10tex的優(yōu)等棉紗。中國種植較少，除新疆長絨棉以外，進(jìn)口的主要有埃及棉、蘇丹棉等。此外，還有纖維粗短的粗絨棉，已趨淘汰5

3、根據(jù)染色體組學(xué)分類 51個(gè)種 5個(gè)四倍體46個(gè)二倍體ABCDEFGK（AD）1 （AD）2 （AD）3 （AD）4 （AD）5(2n= 2x= 26)非洲美洲澳大利亞陸地棉 海島棉(2n= 4x= 52)6 棉花屬共包括46個(gè)二倍體（2n=2x=26)棉種和5個(gè)已經(jīng)確認(rèn)的四倍體(2n=4x=52)棉種，所有的二倍體棉花物種均可能由一個(gè)共同的祖先進(jìn)化而來，這個(gè)祖先隨后多樣化分化成八個(gè)基因組，包括A、B、C、D、E、F、G和K。而所有的四倍體棉花物種都是由A基因組物種木本棉(又稱亞洲棉）（G.arboreum(A2)）和D基因組物種雷蒙德氏棉（G.raimondii(D5)）物種間雜交形成。789

4、二倍體棉種到四倍體棉種的進(jìn)化史10棉花基因組測(cè)序計(jì)劃內(nèi)容：國際棉花基因組計(jì)劃（ICGI）是全球31個(gè)國家的科學(xué)家參與組建的國際學(xué)術(shù)組織，目的是提高對(duì)棉花基因組結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)全球棉花研究、教育等方面的交流、合作，加強(qiáng)知識(shí)和資源整合，促進(jìn)和造福全球的棉花事業(yè)。11重要意義棉花是世界上最重要的天然紡織纖維和意義重大的油料作物棉纖維是研究植物細(xì)胞伸長、細(xì)胞壁與纖維素合成的最好材料解碼棉花基因組將是提高對(duì)棉屬多倍體性、基因組大小變異的功能和農(nóng)藝學(xué)重要性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)12方法：全基因組霰彈法(即鳥槍法)和基于高分辨率物理圖譜的逐步克隆法。重點(diǎn)突破方向：雷蒙德氏棉在所有棉花物種中,雖然它不是栽培種,但其

5、基因組最小,是首先實(shí)施測(cè)序的極好選擇。如果可以得到主要棉花栽培品種陸地棉的綜合物理圖譜(陸地棉基因組是雷蒙德氏棉的3倍),雷蒙德氏棉的序列信息隨時(shí)可以通過把其綜合物理圖譜的BAC末端序列作為錨而轉(zhuǎn)移給陸地棉。目標(biāo)：從長遠(yuǎn)來看,棉花基因組測(cè)序最重要的目標(biāo)是建立占世界棉花產(chǎn)量92%以上的、最廣泛栽培的陸地棉種其全基因組序列。但由于其基因組豐富、尺幅大(約2.5 GB)、多倍體性質(zhì)以及其他復(fù)雜性,必須制定分階段實(shí)施的策略才能夠生效。13棉花基因組測(cè)序的成果2012-8-26二倍體棉花雷蒙德氏棉(D基因組）草圖基因組公布 The draft genome of a diploid cotton Gos

6、sypium raimondii（Nature Genetics）基因組大小約775.2Mb,包括了40,976個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，92.2%得到了轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)的進(jìn)一步證實(shí)。超過73%的組裝序列被錨定在13條雷蒙德氏棉染色體上。獲得了在雙子葉植物中有可能存在的paleohexaploidization事件以及在1300-2000萬年前棉花全基因組復(fù)制（WGD）事件的證據(jù)。確定了總共2,355個(gè)保守塊，大約有40%的平行基因存在于超過1個(gè)保守塊中，表明在進(jìn)化過程中基因組經(jīng)歷了重要的染色體重排。近57%的基因組由轉(zhuǎn)座元件（transposable elements ,Tes）構(gòu)成，其中大部分可能來自長末

7、端重復(fù)序列（long terminal repeat，LTRs）擴(kuò)增。研究人員在對(duì)陸地棉(G.hirsutum）和海島棉（G. barbadense）種對(duì)纖維形成起關(guān)鍵作用的基因間觀察到了定性差異。14雷蒙德氏棉基因組中13條染色體的模式圖綠色：外顯子紅色：內(nèi)含子黃色：DNA轉(zhuǎn)座子紫色：反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（長末端重復(fù)序列）藍(lán)色：其他序列152014-5-18中國科學(xué)家主導(dǎo)完成另一二倍體棉花木本棉（A基因組）全基因組圖譜最新研究成果于自然遺傳學(xué)發(fā)表Genome sequence of the cultivated cotton Gossypium arboretum(nature genetics）對(duì)

8、一株連續(xù)培育18代的純系栽培木本棉shixiya1(SXY1)進(jìn)行了全基因組測(cè)序，繪制出的高質(zhì)量木本棉基因組大小約為1,694 Mb，共有41,330個(gè)編碼基因。利用高分辨率的遺傳圖譜，將90.4%的木本棉（G.arboreum）組裝序列成功定位到13個(gè)連鎖群上。研究人員對(duì)該基因組進(jìn)行了注釋，結(jié)果顯示木本棉基因組中68.5%是由不同類型的重復(fù)序列組成，其中95.12%為長末端重復(fù)序列（LTR）。16a:b 木本棉與雷蒙德氏棉十三條染色體的比較c:木本棉和雷蒙德氏棉LTR的插入時(shí)間和數(shù)目柱形圖：某一時(shí)間點(diǎn)的插入數(shù)目線性圖：某一時(shí)間段總共插入的數(shù)目d:部分木本棉和雷蒙德氏棉7號(hào)染色體的微觀比較黃色

9、：基因模型綠色：同源基因?qū)?yīng)位置藍(lán)色：轉(zhuǎn)座子的位置 172015-4-20陸地棉基因組（AD組）圖譜繪制完成在自然-生物技術(shù)上發(fā)表Genome sequence of cultivated Upland cotton (Gossypium hirsutum TM-1) provides insights into genome evolution （Nature Biotechnology）整合了全基因組散彈槍法、BAC-to-BAC、高密度遺傳圖譜構(gòu)建等策略，對(duì)陸地棉遺傳標(biāo)準(zhǔn)系TM-1進(jìn)行了全基因組測(cè)序和組裝，最終獲得了26條染色體。得到了76943個(gè)蛋白編碼基因，首次從全基因組水平揭示了四

10、倍體棉花是由A基因組的祖先和D基因組的祖先通過染色體融合而形成，并初步揭示了四倍體棉花基因組的進(jìn)化規(guī)律。通過兩個(gè)二倍棉花和四倍體棉花不同纖維發(fā)育時(shí)期乙烯代謝通路的基因組比較和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證實(shí)了乙烯調(diào)控纖維伸長的雙向調(diào)節(jié)假說纖維伸長發(fā)育過程中，乙烯過多和不足都會(huì)抑制棉纖維的伸長，這是不同棉種間纖維長度存在差異重要原因之一。18圖1陸地棉基因組的進(jìn)化和形成a:陸地棉和其他6個(gè)來源于雙子葉植物的物種b:陸地棉AD基因組分別與木本棉A基因組和雷蒙德氏棉D(zhuǎn)基因組的比較192015-5-24南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部雜交棉創(chuàng)制工程研究中心研究人員利用新一代測(cè)序和SNP（單核苷

11、酸多態(tài)性）基因分型方法，構(gòu)建了四倍體棉花的高密度遺傳圖譜，并表征了四倍體棉花基因組的結(jié)構(gòu)變異?？窃趪H知名期刊Genome Biology，題為“Sequence-based ultra-dense genetic and physical maps reveal structural variations of allopolyploid cotton genomes”20該研究小組構(gòu)建了一幅高密度種間遺傳圖譜，包括4,999,048個(gè)SNP位點(diǎn)，不均勻地分布在26個(gè)異源四倍體棉花連鎖群中，覆蓋4,042 cM。研究小組通過對(duì)照組裝草圖序列和遺傳圖譜，在棉花基因組中確定了重組率和突變熱點(diǎn)。

12、利用這一圖譜，研究人員通過將公共可用的雷蒙德氏棉（G. raimondii）基因組信息與熒光原位雜交分析相結(jié)合，確定了四倍體棉花的基因組重排和著絲粒區(qū)域。這項(xiàng)研究用測(cè)序后基因分型法，確定了陸地棉（G. hirsutum）和海島棉（G. barbadense）之間上百萬個(gè)SNPs。研究人員構(gòu)建并利用一幅高密度SNP圖譜，來糾正序列錯(cuò)誤組裝，將scaffolds合并成與染色體一致的pseudomolecules，檢測(cè)基因組重排，并確定了異源四倍體棉花中的著絲粒區(qū)域。該研究發(fā)現(xiàn)，四倍體棉花的著絲粒逆轉(zhuǎn)錄因子序列，來源于D亞基因組祖先，可能在異源四倍體形成之后侵入了A亞基因組著絲粒。本研究對(duì)于棉花的遺

13、傳研究和育種，提供了一份寶貴的基因組資源。21已測(cè)的A、D、AD基因組三者的比較22棉花基因組測(cè)序的意義及展望意義：第二代高通量測(cè)序技術(shù)并結(jié)合BAC 末端大片段測(cè)序方法,完成了世界上最重要的棉種陸地棉(AtDt基因組)的全序列測(cè)定和組裝,結(jié)束了棉花沒有參考基因組圖譜的歷史. 繼 2012 年發(fā)表二倍體雷蒙德氏棉基因組和2014年發(fā)表二倍體亞洲棉基因組之后,在棉花基因組學(xué)領(lǐng)域的又一重要突破，開啟了棉花基因組學(xué)研究的新篇章。棉花基因組的解析, 對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)形成生物學(xué)機(jī)制的深入研究、優(yōu)異基因的選擇和利用、高通量基因分型及建立更加有效的育種策略奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ). 23展望高質(zhì)量的棉花基因組參考序列的完成,將推動(dòng)快速 DNA 序列測(cè)定的基因分型技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)研究的發(fā)展,進(jìn)而顯著促進(jìn)棉花遺傳學(xué)研究的發(fā)展。通過遺傳學(xué)和分子標(biāo)記方法,獲得決定棉花品質(zhì)和產(chǎn)量的功能分子標(biāo)記,育種家可以利用功能標(biāo)記在系譜和群體中追蹤特定等位基因,用于對(duì)親本的選擇和對(duì)難以鑒定