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Nature:八国科学家联合完成棉花全基因组测序

来源:中新社   2012-12-25 09:39

关于棉花基因组的学术文章《棉花基因组的多倍化及纤维的发育》20日在世界级学术期刊《自然》杂志上发表。该国际合作项目中方专家表示,棉花基因组测序的完成,将推动棉花相关经济的规模化发展。

美国、中国、德国、以色列、澳大利亚、巴西、埃及、巴基斯坦八国共70名科学家参与了这一项目,该项目负责人是国际棉花研究学会主席安德鲁-帕特森(AndrewH.Paterson)教授。

该文章推测称,该项目的完成将推动棉花相关经济的规模化发展,世界棉田的种植面积将突破3290万公顷,棉花产量预计达到2490万吨,世界棉花贸易总量将达到近400亿美元。

据该项目中方负责人、中国河北联合大学生命科学学院院长王希胤介绍,一般地,很多现有植物都是二倍体的,它们都是从父、母各继承一套基因组(包括多条染色体),包括棉花和人类等。此项研究分析表明,棉花的祖先物种经过全基因组的多倍化,一度有十套或十二套基因组,后经过复杂的遗传过程,如染色体合并和基因丢失,恢复了二倍化的遗传特性。

王希胤说,此项研究还测得了四倍体棉花的基因组,分析表明不同的基因组之间存在广泛的基因置换现象。这一发现不仅对认识棉花的进化和发育非常重要,也对认识其它植物的遗传学和生物学现象有重要意义。

河北联合大学副院长梁英华表示,该校从2010年开始参与这个项目的国际合作,主要负责比较基因组学的研究工作。下一步,该课题组是把与纤维产量、品质相关的基因找出来,通过杂交等技术实现基因改良,培育棉花新品种,再到大田生产,推动棉花经济发展。

王希胤说,中国是世界上最大的棉花生产大国和用棉国,但近年来受病毒影响造成棉花减产。基因组测序取得全部基因信息,有助于提高棉花等农作物的产量和品质。

无论是接收礼物的圣诞袜,还是橱窗里的漂亮衣服,棉花的作用渗透在即将到来的这个节日的方方面面中,然而对于生物能源研究人员来说,棉花纤维成分比其颜色和质地更为重要。

由来自31个研究机构组成的一个国际研究小组近期完成了基因组最简单的棉花品种:Gossypium raimondii的详细图谱,而且他们将这一基因组与美国农业部的几种棉花基因组序列进行了比对,从而追溯到了棉花在数百万年间的进化过程,这些最初是野生品种的植物如何成为了现在纺织品生产的主力军。这项研究由美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)领导完成,相关成果公布在12月20日的Nature杂志上。

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棉花种植,加工和制造是全球主要产业之一。在美国,有超过20万职业岗位与棉花生产和加工有关,占据每年美国国内生产总值(GDP)中约350亿美元的比例,其中棉花纤维生产价值约60亿美元,棉子油和食用副产品价值将近10亿。

美国生长的棉花一般为多倍体,是两种棉花品种的杂交产物(cotton A 和cotton D),其基因组或染色体组有多个拷贝。二倍体Gossypium raimondii(G. raimondii)是四倍体棉花基因组现存亲缘关系最近的品种之一,之所以会选择这种棉花进行测序,部分原因在于这种棉花的基因组比较小,比cotton A基因组重复元件少,也比多倍体棉花品种简单一些。cotton D不能生产可纺性纤维。通过分析这些基因组序列,包括最新这项研究成果,能令研究人员追踪棉花的进化谱系,杂交变化,以及基因复制情况,促进纤维生产。 “这些棉花基因组数据将有助于基因功能研究,特别是纤维素的生物合成过程,了解这些方面能从根本上改善生物燃料的生产,”领导这一研究的,DOE JGI HudsonAlpha生物技术研究所首席科学家Jeremy Schmutz说,“此外,棉纤维独特的结构也能用于生物修复,并提高棉花的产量,促进水利用效率,减少农药的使用。”

乔治亚州大学Andrew Paterson教授发起了Community Sequencing Program项目,DOE JGI完成了其中7.6亿个碱基对的基因组测序和组装。Paterson教授说,“这项研究第一次将多倍体植物的整个基因组,与其祖先的整个基因组进行了比对”,“这项研究揭示了所有植物的关键进化过程,有助于更好地了解许多其它作物的基因组,如菜籽油,小麦,花生等。”

了解cotton A 和cotton D对现代常见棉花品种的遗传特性贡献,能令研究人员改进纤维品质性状。研究人员Jay Keasling打趣的说道,他的棉衬衣中的纤维素链就需要能承受多次磨损。

美国棉花公司农业研究主任Don Jones表示,这种G. raimondii 金标准基因组能为陆地棉:G. hirsutum基因组测序奠定基础,后者正是全球主要的棉花作物。也为另外一个品种:G. barbadense秘鲁棉(Pima cotton,这是一种特长绒棉,由于日照时间长,棉的成熟度高,因此棉绒长,手感好)的基因组测序铺平了道路。(生物谷Bioon.com)

Repeated polyploidization of Gossypium genomes and the evolution of spinnable cotton fibres

Andrew H. Paterson, Jonathan F. Wendel, Heidrun Gundlach, Hui Guo, Jerry Jenkins, Dianchuan Jin, Danny Llewellyn, Kurtis C. Showmaker, Shengqiang Shu, Joshua Udall, Mi-jeong Yoo, Robert Byers, Wei Chen, Adi Doron-Faigenboim, Mary V. Duke, Lei Gong, Jane Grimwood, Corrinne Grover, Kara Grupp, Guanjing Hu, Tae-ho Lee, Jingping Li, Lifeng Lin, Tao Liu, Barry S. Marler,et al.

Polyploidy often confers emergent properties, such as the higher fibre productivity and quality of tetraploid cottons than diploid cottons bred for the same environments1. Here we show that an abrupt five- to sixfold ploidy increase approximately 60?million years (Myr) ago, and allopolyploidy reuniting divergent Gossypium genomes approximately 1–2 Myr ago2, conferred about 30–36-fold duplication of ancestral angiosperm (flowering plant) genes in elite cottons (Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense), genetic complexity equalled only by Brassica3 among sequenced angiosperms. Nascent fibre evolution, before allopolyploidy, is elucidated by comparison of spinnable-fibred Gossypium herbaceum A and non-spinnable Gossypium longicalyx F genomes to one another and the outgroup D genome of non-spinnable Gossypium raimondii. The sequence of a G. hirsutum AtDt (in which ‘t’ indicates tetraploid) cultivar reveals many non-reciprocal DNA exchanges between subgenomes that may have contributed to phenotypic innovation and/or other emergent properties such as ecological adaptation by polyploids. Most DNA-level novelty in G. hirsutum recombines alleles from the D-genome progenitor native to its New World habitat and the Old World A-genome progenitor in which spinnable fibre evolved. Coordinated expression changes in proximal groups of functionally distinct genes, including a nuclear mitochondrial DNA block, may account for clusters of cotton-fibre quantitative trait loci affecting diverse traits. Opportunities abound for dissecting emergent properties of other polyploids, particularly angiosperms, by comparison to diploid progenitors and outgroups.

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