我支持新疆棉花：新疆棉的基因组研究

众所周知，我国是世界上的棉花出产大国，棉花也是受到国家非常重视的大宗农产品之一。作为纺织工业的基础原材料，棉花的产出一直是我国重点关注的对象。我国的棉花产出主要集中在新疆，2018/19年度新疆棉产量已经占到全国总产量的84.94%，并且有进一步升高的趋势。在2014/15年后，新疆棉产区由于生产的集中化，机械化程度越来越高，机采棉的比重在不断升高。

中国本土的棉花种植历经了多年的发展更替，从1900年至今，中国种植的棉花品种经历了6次大的变化更替，并且每次都伴随着品质或抗性的显著改良。其中在1980-1990年间的第五次棉花品种更替，在国内自主育种得到的棉花品种已经取代了国外品种，高产、稳产、抗病、抗虫的棉花新品系完善了整个中国的棉花种植体系。

中国的棉花可种植地区广泛，不同种植区的主力品种各有差异，其中新疆棉产区的棉花单位产量和总产量均遥遥领先，2016年新疆棉产区单位产量即达到每公顷1990.91kg。在新疆棉产区，育种主要以早熟、优质和适宜机械化采收为目标，其中“新陆早”系列棉花品系是新疆地区主要种植的品种，早熟、高产、整齐度高，新陆早33号和新陆早42号均是新疆棉产区的主力种植品种。

我国的棉花遗传育种和棉花基因组学在世界上处于领先地位，先后完成了雷蒙德棉、亚洲棉、陆地棉、海岛棉等品种的全基因组测序工作，并且利用高质量的基因组极大地推动了棉花的多品系重测序与全基因组关联分析的工作，为棉花的遗传育种打下了非常坚实的基础。以棉花全基因组组装（genome de novo assembly）和多品种重测序（re-sequencing）为基础的科研工作，确立了中国在世界范围棉花基础研究领域的领先地位。在这些研究当中，对于新疆棉的研究占据了相当重要的地位，利用各个新疆棉优质品系进行的基因组学研究，为我国以及全世界棉花品质的进步都有巨大的贡献。下面我们来看一看利用新疆棉优质品系进行的优秀科研成果。

2020年年初发表于《植物生物技术杂志》的研究由浙大/南京农大的张天真教授课题组开展，对69个新疆棉品系以及60年代引入新疆的7个祖先品种进行了重测序溯源研究。7个祖先品系中有4个来源于前苏联，另外3个来源于美国或者非洲，这些祖先品系通过选择与杂交，形成了新疆现行种植的各个陆地棉品种。重测序产生的数据共计1.82Tb，通过这些数据研究者获得了高质量的200万个SNP（单核苷酸变异）用于后续分析。

通过现代品种与祖先品种的选择清除分析，发现了多个与品质性状相关的QTL位点，说明了新疆陆地棉在品种改良过程中的基因组历史。另外，通过祖源推断分析，研究者也计算了各个现代棉花品系中所含有的祖先品种的比例，说明了前苏联品种对现行种植的新疆棉品种的巨大贡献。并且通过对来源于特定品系的祖源片段中的基因进行功能推断，发现了一些特定片段中包含的基因与纤维质量高度相关，为进一步提高棉花品质的基因组学育种工作提供了新的见解。

现代品系与祖先品系的选择清除分析

祖源推断显示现代品种中含有的美国/苏联品种遗传物质的比例

在今年3月，华中农大张献龙教授和新疆农科院李雪源研究员作为通讯的一篇研究论文在线发表与《新植物学家》杂志，该研究重点关注棉花在高温胁迫下的遗传与分子机制。在全球变暖的背景下，新疆的棉花品系如何适应高温环境并且保持较高的产量，以及这种优良性状背后的机制是什么，是棉花育种工作乃至于其他各类型的作物育种都需要重点关注的问题。

本研究中使用全基因组关联GWAS以及全转录组关联TWAS手段，对218个棉花品系进行了深入研究。基因需要将DNA序列转录成RNA进行表达，最后翻译成蛋白质来执行具体的生物学功能，而基因之间也通常具有复杂的相互调控关系，来构成整个生物机制的网络，所以通过GWAS来研究基因与性状之间的相互联系，使用TWAS来研究基因之间的相互作用，可以进一步为我们揭示作物品质性状背后的分子机制。

本研究在常规的群体遗传结构分析和转录组整合分析之外，通过基因组关联，找到了3个与高温胁迫下花粉活性相关的基因组位点，并且通过验证发现这三个区段与实际的花粉活性显著相关，区间中包含75个蛋白质编码基因和27个长链非编码RNA。而利用TWAS分析，找到了与这三个基因组位点重合的3个基因，这三个基因的表达量与花粉活性也是高度相关，并且通过后续实验，验证了GhHRK1基因是一个之前未经报道的高温响应过程中的重要因子。研究为棉花耐热的分子机制提供了重要信息，并且在未来的育种工作中也会发挥出不俗的价值。

与花粉耐热相关的GWAS分析结果

2020年4月，由石河子大学、华中农业大学、石河子农业科学院、中国农科院棉花研究所等单位联合完成的关于新疆海岛棉和陆地棉遗传渐渗的研究成果发表于《植物杂志》。新疆种植的棉花品种主要是陆地棉，海岛棉也有一定量种植。海岛棉和陆地棉同属四倍体棉花品种，相互之间出现了较大的遗传分化，但是海岛棉和陆地棉之间仍然出现了一定的基因渐渗现象，这些渐渗现象可能为现有的栽培品种带来了一些新的优良品质性状。

本研究共收集了159个陆地棉品系和70个海岛棉品系，通过重测序分析在海陆种间鉴定得到了600多万个高质量的SNP，其中有一半左右是已经固化的种间差异SNP，利用SNP数据进行的群体结构分析可以将所有品系划分成陆地棉野生型、陆地棉品种和海岛棉品种三个亚群。

遗传渐渗分析发现了海陆品种之间的渐渗事件，并且在基因渐渗所在的位置，海陆品种之间的分化系数呈现出较低的状态。在这之后，通过全基因组关联分析鉴定了多个与纤维农艺性状相关的QTL，其中5个QTL与4个渐渗事件重合，说明了渐渗过程可能伴随着重要品质性状的引入和选择。在海岛棉的D03染色体上，有一个重要的渐渗位点显著地提升了纤维产量。本研究不仅揭示了海陆棉花之间的遗传历史，更是将基因渐渗对于品种改良的重要性呈现了出来。

陆地棉与海岛棉的群体结构

海岛棉渐渗位点及其与纤维性状之间的相关性

在棉花的基础研究领域，我们目前已经有多项重要的国际领先的科研成果，并且目前仍然有多项与棉花有关的基础科学研究正在如火如荼地开展。我国的棉花生产在世界上也占有相当的比重，但是与棉花品质有关或无关的各种因素，仍然影响着我国出产的棉花在世界范围的应用。将领先的棉花基础研究转化成棉花育种方面的进步固然是重要的一方面，但同样重要的是，我们自己也要有坚定的信心。天若有情天亦老，人间正道是沧桑。

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