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河北农大为棉花定向育种提供精准标记和基因资源

来源:中国科学报 2019-12-08 10:16






不久前《2019中国农业科学重大进展》专项研究报告正式发布,河北农业大学马峙英教授团队联合中国农科院棉花研究所等单位完成的“解码陆地棉纤维品质和产量的遗传秘密”位列其中。该专项研究报告认为:此项研究为棉花重要性状定向育种提供了较为精准的分子标记和基因资源,标志着我国在棉花核心种质重要性状表型、新基因发掘等领域跃居国际领先行列。
“基因决定了农作物的产量、品质、是否抗病抗虫等,通过对各类农作物进行基因组测序,可以更加精确地指导农业育种。”近日,在河北农业大学“华北作物种质资源研究与利用教育部重点实验室”教授马峙英接受《中国科学报》采访时表示,只要阐明控制重要性状的遗传分子基础,挖掘有利等位基因并得到应用,就能提高种质资源利用的高效性。
棉花是世界上主要的农作物之一,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棉花种质资源,深入挖掘核心种质的基因组变异是一项重要的研究工作。同时,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。
深化对陆地棉种质资源表型变异的分子基础研究和优异遗传位点发掘,实现棉花品质、产量等重要性状的有效选择与改良提高,是棉花育种的重大科学问题。“一个基因,即一个DNA片段,可理解为一串储存着生命孕育、生长、凋零的密码。在科学家可以破译并了解其之前,由其控制的生命信息被悄然复制、转录并表达,完成物质的合成和生命的接替。”马峙英介绍,基因并非是生命细胞中最小的单位,当我们把基因再进一步剖分就会发现,一个基因由N个单碱基对组成。SNP就是单碱基发生多种变化的一种状态,碱基对的种类和排序决定了植物性状的表现多样化。
历经6年的刻苦攻关,马峙英研究团队联合国内8个单位,对从中国棉花种质资源库7362份陆地棉中筛选出的419份核心种质进行基因组重测序,平均深度达6.55倍,找出366万个单核苷酸多态性,通过田间环境种植鉴定获得了20多万个表型数据,发现了与棉花纤维长度、强度等重要性状相关的基因组变异和遗传位点及其染色体分布规律,这是当前世界棉花测序和关联分析中测序深度、品种表型鉴定、找到变异基因位点和基因数目等较为丰富的一项研究成果,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。
马峙英告诉《中国科学报》,通俗地讲,就是该项研究对人类在陆地棉整个驯化、选择和环境适应过程中保留了哪些有利于提高品质和产量的基因位点进行了全面分析和发掘,为棉花品质、产量等经济性状的有效选择与改良提高,也就是培育纤维又长又强、产量又高的棉花新品种提供了重要科学依据。
“6年多的科研攻关,多少个日日夜夜的苦熬坚持,是团队每个成员都难以忘却的。从2012年开始构思,凝练出大规模发掘棉花种质资源表型变异分子基础和优异遗传位点的科研目标,到完成419份棉花核心种质的基因组重测序和多年多点的田间种植鉴定,频繁的田间调查记载和实验室性状测定、考查,加之结合DNA大数据对诸多育种家们关心的性状进行全面分析和总结,工作有多大不言而喻。”团队成员张桂寅研究员说。
“整个研究最难的阶段,我觉得首先是田间表型鉴定、发现和确认基因组变异,以及如何鉴定优异位点的过程。”团队成员王省芬教授说,为了寻找可能受其影响的基因,他们鉴定了纤维长度、强度、铃重、衣分等13个纤维品质和产量性状,调查数据记录本摞起来有两尺多高。日复一日在实验室和试验田之间奔波,外人看来可能是枯燥而辛苦的,但团队成员们却不以为然,以苦为乐。
与马峙英一道从事棉花种质资源和育种研究30多年的张桂寅研究员介绍,该研究将很快被科学家应用于棉花分子设计育种,现在常规棉花育种需要多年田间种植和选择,将来根据SNP分子标记,直接在实验室就能进行精准设计和选择,可显着提高育种效率和准确性,从而实现未来棉花育种“按图索骥”。
近年来,马峙英研究团队在棉花基因相关领域的研究在国际上引起关注:该团队先后于2014年和2015年与中国工程院院士喻树迅团队合作,分别在《自然—遗传学》和《自然—生物技术》上以同等贡献第一作者发表科研成果;2018年5月,在英国爱丁堡大学召开的国际棉花基因组大会,马峙英应邀向参加会议的10多个国家的100多名专家,报告了棉花基因组变异和纤维性状遗传领域的重要研究成果。随后,《自然—遗传学》在线发表其该项研究成果的文章。
此外,目前马峙英棉花研究团队已经育成15个不同类型的抗病优质高产棉花新品种,曾获何梁何利基金科学与技术创新奖1项,国家科技进步奖二等奖2项,省部级科技成果一等奖4项,国家教学成果二等奖1项,国家教学名师奖1项。
“棉花基因组测序的完成,可以为棉花功能基因组学研究提供重要的资源平台,其可用于开发大量分子标记,加速重要农艺性状基因的遗传定位和高效系统地克隆棉花的重要功能基因,解析棉花高产、纤维品质、抗病性等重要性状的分子机制;基因组测序可揭示棉花不同种质资源的优异基因组成,为杂交育种的亲本选配与群体设计等提供理论基础;进行功能性分子标记的鉴定与开发,可进行基因型的直接选择,提高育种中选择的准确性和效率等。”马峙英表示,研究团队下一步将围绕棉花纤维品质、产量相关的基因研发攻关,通过实现基因组改良,培育更好的棉花新品种,推动棉花经济社会效益再提高。(生物谷Bioon.com)
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