马峙英教授团队在棉花基因组研究方面取得重大进展


发布日期:2018-05-08访问次数: 字号:

马峙英教授与记者交流科研历程

  5月8日,国际学术顶尖刊物《自然•遗传学》(Nature Genetics)长文在线发表了我校华北作物种质资源研究与利用教育部重点实验室马峙英教授团队,联合中国农业科学院棉花研究所杜雄明研究员团队等8家单位完成的最新研究成果《重测序鉴定棉花基因组变异和纤维品质、产量遗传位点》(Resequencing a core collection of upland cotton identifies genomic variation and loci influencing fiber quality and yield)。这项研究首次完成了来自于中国、美国、澳大利亚等主要植棉国419份陆地棉核心种质(代表中国棉花种质资源库7362份陆地棉)的基因组重测序。该研究标志着我国在棉花基因组变异和纤维性状遗传领域取得重大进展,棉花核心种质重要性状表型、基因组变异和分子标记鉴定以及新基因发掘跃居国际领先行列,为深化作物基因组研究提供了重要依据,为棉花重要性状定向育种提供了较为精准的标记和基因资源。我校马峙英、王省芬、张艳、张桂寅、吴立强、李志坤,中棉所何守朴、孙君灵,诺禾致源刘志浩为论文的同等贡献第一作者。我校马峙英、王省芬,中棉所杜雄明,诺禾致源田仕林为论文通讯作者。

  棉花中的陆地棉因其适应性广和高产特性,占全球棉花种植的90%以上。目前,我国所产原棉95%来源于陆地棉。长期的自然选择和人工选育产生了大量的陆地棉种质资源,深入挖掘核心种质的基因组变异是一项重要的研究工作。而随着人们需求的不断增加和纺织工艺的改进,对棉花纤维品质提出了更高的要求,深化对种质资源表型变异的分子基础研究和优异遗传变异位点发掘,可实现棉花品质、产量等重要性状的有效选择与改良提高。马峙英教授带领的棉花团队历时6年,通过实际环境种植鉴定并从DNA水平上对已有育种工作进行了全面分析和总结,研究结果为棉花品种选育提供了理论技术依据和分子育种基因资源。

  该项研究对419份陆地棉核心种质的基因组重测序平均深度达6.55倍,鉴定出3,665,030个单碱基多态性(SNP),发现群体遗传多样性高于已报道的陆地棉地方品种和现代改良品种,表明该核心种质群体为育种提供了相对宽泛的遗传基础。通过将现代品种与早期品种进行比较,发现核苷酸多样性降低了8.6%,提供了人工驯化选择导致棉花遗传多样性降低的直接分子证据。通过比较核心种质与陆地棉野生种系全基因组功能基因SNP变异,首次发现23,876个基因无任何SNP变异,表明这些基因在长期驯化过程中高度保守,33,899和6,957个基因分别表现为SNP变异数减少和增加,暗示这些基因应在育种改良中予以重点关注。

  该项研究2014-2015年在黄河流域、长江流域和西北内陆三大棉区的6个地点共12个环境进行品种种植,鉴定了纤维长度、强度、铃重、衣分等13个纤维品质和产量性状,获得了近20万个表型数据。基于3,665,030个SNP的全基因组关联分析,共鉴定出11,026个与13个性状显著关联的SNP,其中,大量SNP位点可以至少在3个环境中重复检测,首次发现与纤维品质关联的SNP数量远多于纤维产量SNP,D亚组染色体较A亚组染色体存在更多的性状关联SNP。明确了不同性状遗传位点分布的重点染色体。

  该项研究共鉴定出7,398个基因。结合4个差异较大的棉花品种纤维发育不同时期的转录组分析,发现3,089个基因在纤维发育的不同阶段高表达,其中存在着许多与开花期、纤维长度和纤维强度有关的新基因。进一步通过不同单倍型品种基因定量表达、基因超表达和基因沉默试验,首次鉴定出棉花开花/纤维起始新基因纤维长度新基因以及1个纤维强度新基因

  该研究还从7,383个显着相关的单核苷酸多态性中鉴定出5,753个优异位点。进一步评价野生种系、早期品种和现代品种的优异位点频率,发现在驯化过程中,所有性状优异位点频率显著增加。这一发现与驯化过程中提高纤维产量作为选择目标、现代育种中将纤维品质和产量同时作为改良目标相一致,反映了重要性状表型选择保留优异遗传位点的分子进化。

  该项研究得到国家现代农业产业技术体系、河北省科技支撑重点计划、国家重大科技专项、国家重点研发计划的资助。

  据悉,我校马峙英教授带领的棉花团队已经先后于2014年和2015年分别在国际学术顶级刊物《Nature Genetics》和《Nature Biotechnology》上以同等贡献第一作者发表科研成果。该团队经过30余年的建设已形成了一支有国际影响力的棉花研究团队,曾获何梁何利基金科学与技术创新奖1项,国家科技进步二等奖1项,省部级科技成果一等奖4项,国家教学名师奖1项,国家教学成果二等奖1项。

文章截图

文中配图

文中配图

专家团队在农大棉品种高产示范观摩现场

专家团队在自育品种“农大601”高产示范区田间调查

专家团队在青县盐碱地查看农大棉品种示范效果

棉花苗期田间管理指导

陆地棉种质资源吐絮期调查

棉花种质资源蕾铃田间调查

 

作者:宣传部 姚运肖  摄影:宣传部 赵凌云  编辑:宣传部 师春祥

 

 





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