我科学家破解陆地棉进化轨迹和重要性状遗传架构

来源：科技日报

科技日报记者 李禾

3日，记者从中国农业科学院棉花研究所（简称中棉所）获悉，中棉所研究员李付广、杨召恩团队绘制了陆地棉进化路线图，揭示了染色体大片段变异调控种群遗传多样性、环境适应性的遗传机制，破解了纤维品质性状形成的遗传架构，开辟了棉花优异种质创制的新路径。相关成果发表在国际学术期刊《自然·遗传学》上。

种质是指将遗传信息传递给后代的遗传物质或材料。当前，区域化集中种植带来了棉花品种遗传多样性锐减、同质化明显等挑战。探寻陆地棉进化的分子轨迹、发掘棉花种质中尚未被育种利用的优异基因、创制新种质是破解上述难题的重要途径。

研究团队利用107份陆地棉代表性种质，构建了超级泛基因组，即包含陆地棉野生种和栽培种基因组信息的总和；首次发现陆地棉种内A03-A09存在的染色体易位事件，显著影响了其种群分化和区域适应性。进一步研究发现，在栽培陆地棉形成之前，野生陆地棉、半野生陆地棉曾经历三个阶段的结构变异，以这些结构变异为标记可将陆地棉细分为32种单倍型，但现代栽培种仅源于其中一个单倍型，遗传基础狭窄。

该研究揭示了陆地棉泛基因组中广泛存在与抗病密切相关的结构变异。其中，通过对抗病免疫受体编码基因NLR家族的分析，鉴定出了抗黄萎病新位点，揭示了NLR基因家族演化规律。同时，标记鉴定出了69个与纤维品质相关的位点，其中62个为以前未检测到的新位点，还发现了调控纤维强度与种子大小的多效基因等。

该研究还系统绘制了陆地棉中127个大尺度倒位的全基因组分布图谱，揭示其在抗虫性与纤维色泽等重要性状中的关键作用。比如在A06染色体上，一个3.9Mb的倒位显著提升叶片表皮毛密度，并与抗虫性相关；在A07染色体，Lc1位点所决定的棕色纤维表型由两种不同的倒位单倍型控制。上述功能倒位均与区域内数百个基因紧密连锁，因此，在选择高抗虫性或理想纤维色泽时，可能会在无意中引入大量非目标性状的基因，即“连锁累赘”。这一发现揭示了传统育种中性状改良所面临的潜在代价，提出了“打破不利连锁、实现精准编辑”的新育种策略。

对此，中国工程院院士、华中农业大学教授张献龙表示，李付广、杨召恩团队从3600多份种质中筛选出107份代表性材料，构建了全球规模最大、遗传多样性最广泛的陆地棉图形泛基因组图谱，首次揭示核糖体DNA（rDNA）在群体中的演化规律，为厘清陆地棉遗传多样性和表型变异提供了新的科学依据。该研究还重构了陆地棉在美洲的起源与扩散规律，发现大尺度结构变异是其环境适应性分化的核心驱动力；绘制了首个陆地棉全基因组倒位全景图谱，为高效分子设计育种提供了理论基础、精准靶点和设计工具。