陸地棉產(chǎn)量高、適應(yīng)性強；海島棉產(chǎn)量低，纖維品質(zhì)較優(yōu)。長久以來，人們一直想解析陸地棉和海島棉在產(chǎn)量、適應(yīng)性和品質(zhì)方面差異的原因，并試圖培育出綜合二者高產(chǎn)、纖維優(yōu)良、適應(yīng)性強的棉花新品種，但是一直沒有成功。

近日浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院教授張?zhí)煺鎴F隊在《自然—遺傳學(xué)》發(fā)表研究論文，報道高質(zhì)量四倍體陸地棉和海島棉的起源及種間分化的遺傳機制，揭示陸地棉廣適性、海島棉優(yōu)質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)。

實現(xiàn)較完善的基因組組裝

據(jù)張?zhí)煺娼榻B，棉花屬共包括46個二倍體棉種和5個四倍體棉種，所有的二倍體棉種均可能由1個共同的祖先進化而來，隨后分化為8個基因組，包括A、B、C、D、E、F、G和K。

“而所有的四倍體棉種均由A基因組亞洲棉和D基因組雷蒙德氏棉進行種間雜交加倍形成，是異源四倍體棉種�！睆�?zhí)煺娓嬖V《中國科學(xué)報》。

研究團隊對兩個異源四倍體棉種——陸地棉TM-1和海島棉Hai7124，進行了超高深度測序，隨后按照測序得到的棉花基因組序列，用DeNovoMAGIC3軟件進行基因組組裝。

值得一提的是，相比已發(fā)表的兩個舊版本，新組裝的海島棉Hai7124基因組的連續(xù)性分別提高了47倍和90倍，陸地棉TM-1基因組的連續(xù)性也提高10-20倍。基因組的完整性，尤其在重復(fù)序列富集的著絲粒區(qū)域組裝的完整性大幅提升。

張?zhí)煺姹硎荆�此次研究結(jié)合了基因組領(lǐng)域最前沿的組裝、光學(xué)圖譜等技術(shù)，使新組裝的兩個棉種基因組序列的準(zhǔn)確性、完整性和連續(xù)性均顯著提升，這也為后續(xù)四倍體棉花育種的研究奠定堅實基礎(chǔ)。

“參考基因組序列是功能基因組研究的一項非常重要的基礎(chǔ)工作�！敝袊�農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授華金平對《中國科學(xué)報》表示，“此次組裝的陸地棉TM-1是第三個、也是目前最完善的版本，反映了我國科學(xué)家精益求精、契而不舍的科學(xué)精神。海島棉Hai7124序列釋放也代表我國科學(xué)家在此領(lǐng)域的最新進展，為海島棉功能基因組研究提供重要依據(jù)。”

發(fā)現(xiàn)棉種形成和進化的原因

接下來，研究人員使用這兩個組裝良好的基因組棉種，通過全基因組比較分析發(fā)現(xiàn)，基因表達、結(jié)構(gòu)變異和擴展基因家族的物種特異性改變，是這兩個棉種形成和進化的原因。

“通過比較陸地棉和海島棉的基因組差異，我們發(fā)現(xiàn)在這兩個棉種中各存在很多擴增的特異基因，并推測，其中某些特異基因可能與棉種的特異性狀有關(guān)�！睆�?zhí)煺娼榻B，在兩個棉種的基因組中，也發(fā)現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)的差異。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在纖維發(fā)育期間，陸地棉和海島棉的膜轉(zhuǎn)運、糖合成、碳水化合物代謝通路等相關(guān)基因差異富集。

其中蔗糖轉(zhuǎn)運、離子轉(zhuǎn)運、液泡轉(zhuǎn)化酶等調(diào)控細(xì)胞伸長的相關(guān)基因，在海島棉纖維發(fā)育中的表達持續(xù)時間遠長于陸地棉。“這是海島棉纖維品質(zhì)較優(yōu)的主要原因�！睆�?zhí)煺嬲f。

此外陸地棉中有更多的乙烯、ABA信號調(diào)控的基因被激活，而這些基因可以調(diào)控棉花對冷、熱等環(huán)境的反應(yīng)，因此這些基因可能與陸地棉的廣適性密切相關(guān)。