四倍体栽培棉花起源与驯化改良的遗传基础

获 奖 者：张天真，郭旺珍，方磊，胡艳，关雪莹，陈杰丹

获奖单位：南京农业大学，浙江大学

成果简介：

多倍体普遍存在于被子植物中，是基因组进化和新物种形成的原动力之一。多倍体物种较二倍体有更好的生长势、更强的抗逆性和适应性。由于多倍体基因组的复杂性，关于多倍体基因组进化特征和优势形成的分子机理研究进展较慢。异源四倍体棉花由 A 和 D 二倍体祖先种通过种间杂交、加倍而形成的，是研究多倍体进化与驯化最好的模式植物。本项目综合运用基因组学、生物信息学和群体遗传学等方面的理论和技术，攻克了异源四倍体棉花基因组组装的难点，全面解析了异源四倍体栽培棉花起源进化与驯化改良的遗传基础。

取得的重要科学发现包括以 下三个方面：

一、阐明了异源四倍体棉花起源、分化和驯化的基因组学基础。（1）首次组装出高质量的陆地棉全基因组图谱，在棉花中首次通过图位克隆的方法完成了第一个控制腺体形成基因 Gl2e 的克隆与功能分析；（2）解析了异源四倍体棉花起源与分化的基因组特征，系统地从基因组水平阐明了棉属的进化和驯化规律，发现了陆地棉和海岛棉同一起源和独立驯化的关系；（3）揭示了陆地棉从原产于中美洲墨西哥南部的多年生灌木 树棉 驯化为一年生栽培 美棉 的演化规律及遗传基础。

二、解析了四倍体栽培棉花亚基因组非对称进化 的基因组学特征。（1）发现了染色体结构变异和着丝粒入侵的非对称性， A 亚组上发生两次较大的染色体易位， A 亚组的着丝粒可能是由 D 亚组着丝粒 入侵 而来；（2）发现了基因序列变异和基因表达的非对称性 3）发现了亚基因组驯化的非对称性， A 亚组主要负责调节纤维发育，控制纤维产量和品质的优势形成，而 D 亚组则是通过正向选择抗逆性基因，保证了四倍体棉花较好的抗逆性。

三、揭示了中国棉花品种改良的遗传基础。（1）阐述了从 美棉 到 中棉 改良的遗传基础，发现产量性状改良位点多于品质性状改良位点，同时检测到 12 个 一因多效 的优异关联位点。鉴定出很多美棉 的优异基因资源，它们已经被中国育种家选择固定，并很好地传递到我国不同年代自育品种中；（2）发现了乙烯信号转导通路基因通过增加纤维产量来提高皮棉含量，优异基因 GhEIL 和 GhAIL6的叠加可以使单株铃数增加 20.44%20.44%，衣分增加 7.74% 。

5 篇代表性论文发表后，被 Nature 、 Science 、 Nature Biotechnology 和 Nature Genetics 等国际知名期刊发表的论文引用， Web of Science 核心合集他引 799 次。重要科学发现 的原创性、公认度和科学价值得到高度评价，科研成果释放的数据推动了国内棉花研究团队完成其他棉花基因组组装、 3D 基因组分析、代谢组学和群体遗传学等多组学或多学科研究工作的深入。

项目科研成果促进了棉花基因组学和功能基因组学的研究，对于多倍体植物基因组进化特征研究、多倍体优势形成的分子机制研究等具有重要的理论指导意义。鉴定筛选出的一批重要优异基因资源，为通过基因组选择育种和转基因育种手段，培育高产、优质、多抗等综合性状优异的棉花新品种打下了坚实的基础，有很大的利用前景。