研究揭示棉花异源四倍体重复基因组的进化分歧

棉田丰收      中国农科院棉花所供图

近日，中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室研究员刘方团队联合国内外多家研究单位在全基因组水平探讨了四倍体棉种的多倍化、适应性进化与驯化，揭示了棉花多倍化及人工驯化过程的遗传变异基础，为其他农作物多倍化研究提供了理论基础，为棉花育种创新提供了重要的种质资源。相关成果在线发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

多倍化是植物进化的重要机制，使得多倍体植物具有广泛适应能力。常见的多倍体植物有六倍体小麦、四倍体棉花和马铃薯等。异源四倍体棉花包括陆地棉、海岛棉、毛棉、黄褐棉、达尔文氏棉、艾克曼棉和斯蒂芬氏棉等7个棉种，其中前5个异源四倍体棉种的基因组序列已公布，而最新被发现命名的野生棉——艾克曼棉和斯蒂芬氏棉的基因组图谱尚未被报道。解析艾克曼棉和斯蒂芬氏棉的基因组信息，标志着异源四倍体棉花演化拼图的全部完成，对分析棉花多倍化及进化机制具有有重要意义。

该研究对艾克曼棉、斯蒂芬氏棉和一个陆地棉野生种系进行测序，解析了棉花多倍化及适应性进化过程中广泛存在的基因组结构变异。结合四倍体棉种表型分化、遗传隔离和遗传趋同等，阐述了棉花生物多样性和棉花驯化的遗传基础，发现野生棉对驯化棉种在适应性方面有较强的基因渗入。

进一步研究发现，棉花驯化过程中编码磷酸肽结合蛋白的基因结构变异可能与纤维长度有关，烯酰辅酶Aδ异构酶3和乙烯响应因子RAP2-7可能通过调节植物激素相关的生化途径，提高棉花非生物胁迫耐受性。

该研究结果填补了多倍体棉花系统发育研究的空白，揭示了棉花多倍化过程中的适应性进化机制，为棉花抗性和纤维品质遗传改良提供了宝贵的遗传材料。

该研究得到国家自然科学基金等项目资助。中棉所已毕业博士生、棉花生物学国家重点实验室安阳工学院基地教授彭仁海为论文第一作者，刘方为总通讯作者。北京诺禾致源科技股份有限公司、美国爱荷华州立大学等多家单位参与该研究。