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[前沿资讯 ] 华中农业大学团队研究最新研究解析了不同棉种纤维品质形成的遗传调控共性和分歧模块 进入全文
新华社
据华中农业大学消息，该校棉花遗传改良团队的最新研究解析了不同棉种纤维品质形成的遗传调控共性和分歧模块，开辟了棉花生物育种优异遗传资源精准创制的新途径。该研究为通过种间靶向渗入实现纤维品质改良提供了支撑，相关研究成果近日发表在国际学术期刊《自然·遗传学》上。 “我国是棉花生产大国、消费大国，但优质棉短缺是我国棉花产业链的短板之一。”论文第一作者、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士后李健英介绍，当前我国棉花主要栽培种是异源四倍体陆地棉，而在20世纪以前我国长期种植的棉花是二倍体亚洲棉。将二倍体亚洲棉与异源四倍体陆地棉遗传资源进行比较研究，挖掘种间平行选择和特异利用的基因，是拓宽异源四倍体陆地棉的遗传多样性，从而提升纤维品质的重要途径。 据介绍，研究团队从216份亚洲棉材料中挑选出15份材料进行了PacBio测序。又根据3606份陆地棉材料的进化树、表型变异、地理分布等要素，从中挑选了部分半野生种系和栽培种系材料进行测序，组装了15份亚洲棉和35份陆地棉材料的基因组，并分别构建了基于基因和结构变异的泛基因组。研究团队由此解析了陆地棉半野生种系到栽培种系镶嵌的基因组结构图谱，鉴定出半野生种系向栽培种系的高可变渐渗热点区域。 李健英表示，该研究解析了基因组结构变异从陆地棉半野生种系向栽培种系渐渗的图谱，发现大多数控制纤维品质的遗传位点在亚洲棉和陆地棉是独立存在的，说明控制二者纤维品质的遗传位点差异很大，为将来利用亚洲棉中独特的优异变异改良陆地棉的纤维品质提供了靶点。
[学术文献 ] Genetic Dissection of Flowering and Plant Architectural Traits to Develop Early Maturing Compact Upland Cotton Genotypes for High-Density Planting 进入全文
TROPICAL PLANT BIOLOGY
Earliness in cotton is a highly valued trait that allows the crop to dodge late-season stress and facilitates efficient harvesting, ultimately benefiting farmers with optimal yield. Understanding the genetics of these complex traits is a prelude to designing extra-early maturing cotton genotypes. Two crosses with six generations (ESS-20 x FLT-25 and S-32 x FLT-25: P1, P2, F1, F2, BC1P1, and BC1P2) and one cross with five generations (NNDC-30 x NNDC-47: P1, P2, F1, F2, and F2:3) were field-evaluated for ten earliness and plant architecture traits in cotton. ANOVA presented significant generational differences for most traits. The inadequacy of the Additive-Dominance (A-D) model in explaining trait inheritance using scaling and joint-scaling tests highlighted the presence of epistatic gene actions. Further, the analysis of gene action unveiled the predominance of dominance effect [h] and dominance x dominance [l] epistatic effect, influencing the expression of most traits. Contrasting signs of [h] and [l] effects for these traits suggested the occurrence of duplicate epistasis across crosses. Therefore, population improvement strategies and heterosis breeding could be effective in designing extra-early maturing genotypes. All traits exhibited quantitative inheritance, with partial and overdominance favouring early maturity. Notably, days to flowering and boll opening, exhibited negative heterosis, suggesting the efficient development of short-duration cotton hybrids. Besides, the study also predicted less than one gene block for the majority of traits, suggesting a significant role of complex non-allelic interaction in trait expression. These findings offer valuable insights for strategizing efficient breeding methods to develop early-maturing cotton genotypes.
[前沿资讯 ] 华中农大学者找到棉花纤维品质形成的关键“钥匙” 进入全文
华中农业大学
10月29日，华中农大棉花遗传改良团队在Nature Genetics上发表了题为“Convergence and divergence of diploid and tetraploid cotton genomes”的研究论文，构建了二倍体亚洲棉和四倍体陆地棉图形泛基因组，解析了不同棉种纤维品质形成的遗传调控共性和分歧模块，推动了开辟棉花生物育种优异遗传资源精准创制的新途径，为通过种间靶向渗入实现纤维品质改良提供了支撑，为在不同倍性植物中解析同一性状形成的遗传调控机制提供了参考。 本研究根据216份亚洲棉材料挑选了15份进行了PacBio测序，根据3606份陆地棉材料的进化树、表型变异、地理分布挑选了23份半野生种质和37份栽培种品种进行了PacBio和ONT的三代测序，精细组装了15份亚洲棉和35份陆地棉材料（包括半野生种系20份、栽培种系15份）的基因组，分别构建了基于基因和结构变异的泛基因组。该研究确定了阔叶棉（Gh latifolium）是陆地棉栽培种最近的半野生种系，解析了陆地棉半野生种系到栽培种镶嵌(Mosaic)的基因组结构图谱，鉴定出半野生种系向栽培种高可变渐渗热点区域（图1）。进一步，发现优异农艺性状的遗传位点供体来源与Mosaic区块相关，例如纤维长度相关的位点与帕默尔棉（Gh palmeri）共享最多。 本研究首次提出二倍体与四倍体图形泛基因组的比较方法，鉴定了A基因组中1150Mb 同线区（SYN）和520Mb 高分歧区（HYD）（图2）。HYD相较于SYN展现出更高的存在/缺失变异（PAV）多样性水平，进而导致了种质间变异增加。在高分歧区中LTR反转录转座子比例远高于同线区，而DNA转座子在同线区高于高分歧区，表明在高分歧区中含有大量扩张的LTR 。所有材料间同线区和高分歧区LTR序列分析表明多倍化后At-Dt之间较A2-D5之间更为相似。A2中高分歧区的LTR爆发约0.6MYA，D5约1.9MYA，At约0.6MYA，Dt约0.4 MYA，表明At与Dt中的LTR爆发呈现协同模式。进一步，发现A2和D5基因组中着丝粒在同线区高于高分歧区，而多倍化后高分歧区远高于同线区。这些结果表明，多倍化后陆地棉的两个亚基因组呈现趋同演化特征。 研究者将结构变异与1005个亚洲棉和2215个陆地棉的纤维转录组相结合，鉴定出在育种选择下，两种倍性水平间保守的调控模式（图3）。亚洲棉和陆地棉的eQTL-eGene 的微共线性分析表明，57% (A2)或 63% (At) 的eQTL-eGene位于各自基因组的共线性区域；20% (A2)或22% (At) 的eQTL-eGene序列在另一个基因组中丢失，但是eGene存在；此外，还有23% (A2)或15% (At) 的eGene发生了丢失，A2 和At 之间只有 28 个eQTL-eGene的共享调控关系。为了研究种间调控差异，进而比较了二倍体和四倍体直系同源基因的表达模式，在A2和At中，发现9258个非冗余的种间PAV与4573 个直系同源基因的表达模式分歧有关。这些结果表明二倍体和四倍体之间基因组结构变异影响了基因表达调控。 本研究利用亚洲棉群体鉴定了34个纤维品质相关的PAV-QTL, 其中21个为新的QTL ，利用陆地棉群体鉴定了40个纤维品质相关的PAV-QTL，其中24个为新的QTL（图4）。在这些QTL中，亚洲棉与陆地棉存在6个与纤维品质选择的保守QTL，分别位于1号、6号和12号染色体。6个保守QTL内显著的PAV与PAV-eQTL共定位，共同调控44个eGene的表达。例如在1号染色体上，A2和Dt中直系同源的候选基因（GA2OX4），受到非同源PAV-eQTL的调控，且PAV-eQTL在陆地棉驯化和改良中同时受到选择。研究发现，大多数控制纤维品质的遗传位点在亚洲棉和陆地棉是独立存在的，说明控制二者纤维品质的遗传位点差异很大，为未来利用亚洲棉中独特的优异变异改良陆地棉的纤维品质提供了靶点。 本研究构建了二倍体和四倍体棉花图形泛基因组，解析了基因组结构变异从陆地棉半野生种系向栽培种渐渗的图谱，创新了多倍化驱动的祖先基因组结构演化规律；鉴定了纤维品质形成的遗传调控共性和分歧模块，推动了开辟棉花生物育种优异遗传资源精准创制的新途径，为通过种间渗入实现纤维品质的基因组靶向改良提供了支撑。这项研究加强了对于不同倍性物种重要性状平行选择的理解，为在其他植物不同种间泛基因组比较和同一性状形成的遗传机制研究提供了参考。
[前沿资讯 ] 浙江大学棉花精准育种团队等用AI破译棉花品种改良“密码本” 进入全文
中国科学报
棉花产量与纤维品质如何受到DNA甲基化调控？在人工智能（AI）的帮助下，中国棉花育种专家成功破译这一“密码本”，并从中找出有望改良棉花品种的关键基因位点。 近日，由浙江大学棉花精准育种团队、中国农业科学院生物技术研究所和湖畔实验室智慧育种团队组成的联合科研团队，综合运用遗传学、生物大数据和AI技术，构建了涵盖207个品种的棉花全基因组DNA甲基化图谱，鉴定了2.87亿个单甲基化多态性（SMP）位点，规模为目前所有作物之最。联合团队从中发现43个潜在参与纤维发育的eQTM基因，为棉花育种提供重要的候选基因列表。相关论文发表在国际期刊《细胞研究》（Cell Research）。 棉花是全球最大的天然纺织纤维来源，需要通过不断聚合优异的基因组遗传位点，进行品种改良。在AI、大数据等技术加持下，农业正在步入“智慧育种”时代，通过综合作物基因型数据、表型数据和环境数据，预测作物性状，精准筛选出优异基因。 此次，联合科研团队聚焦于DNA甲基化对作物的影响。DNA甲基化可以在不改变棉花DNA序列的情况下，影响棉花产量、纤维品质等农艺性状，并通过自然进化和人工选择传递。团队收集了207个品种的棉花全基因组甲基化测序数据、基因组测序数据、转录组测序数据，再结合农艺性状的表型数据，进行关联分析，首次构建起群体尺度的棉花全基因组DNA甲基化图谱，涵盖2.87亿个单甲基化多态性（SMP）位点。其中，仅甲基化测序数据就达到17TB。 湖畔实验室融合AI、并行计算等技术开发了一套新型算法，加速海量遗传数据的分析处理。湖畔实验室智慧育种团队负责人顾斐表示：“相比起传统方法，AI加成的分析计算速度提升近100倍，有助于开展亿级序列对比、群体变异分析和多组学关联分析，在数百个遗传变异、数万个基因以及数亿个甲基化位点之间建立起复杂的映射关系。” 联合科研团队进而首次绘制出与棉花纤维发育相关、独立于遗传因素的表观调控网络，揭示了43个潜在参与纤维发育的eQTM基因。其中一个位点已通过基因编辑实验，证实其调控棉花纤维长度的作用。此外，研究人员研发了深度学习模型DeepFDML，基于DNA甲基化位点附近的序列，预测影响基因表达的甲基化位点，未来有望发现更多具有育种价值的信息。 “这项研究成果证明了DNA甲基化数据可作为育种资源，为棉花品种改良提供新的思路。”来自浙江大学棉花精准育种团队的方磊表示：“依托生命科学+AI，育种家们将持续挖掘关键基因、预测农艺性状，加速培育‘超级’作物。” 据悉，湖畔实验室（数据科学与应用浙江省实验室）成立于2020年7月，依托阿里巴巴达摩院建设，聚焦数据科学领域的“数据智能”和“新型计算”两大方向。在智慧育种领域，湖畔实验室牵头研发全流程智慧育种平台，为育种家们提供包含育种数据管理和分析、计算加速、AI预测的“中央厨房”，大幅缩短培育新品种的周期。
[学术文献 ] GhGRF4/GhARF2-GhGASA24 module regulates fiber cell wall thickness by modulating cellulose biosynthesis in upland cotton (Gossypium hirsutum) 进入全文
PLANT JOURNAL
Fiber elongation rate is an essential characteristic of cotton fiber in the textile industry, yet it has been largely overlooked in genetic studies. Gibberellins (GAs) and auxin (IAA) are recognized for their role in directing numerous developmental processes in plants by influencing cell differentiation and elongation. However, the degree to which GA-IAA interaction governs cellular elongation in cotton fiber cells remains to be fully understood. In this study, we identified a causal gene, Gibberellic Acid-Stimulated in Arabidopsis 24 (GhGASA24), that appears to be responsible for fiber elongation rate via regulating fiber cell wall thickness. Subsequent experiments revealed that GhGASA24 influences cell wall formation by promoting the expression of GhCesA8 and GhCesA10. Our findings suggest that Auxin Response Factor 2 (GhARF2) regulates fiber elongation rate by directly binding to the AuxRE elements in GhGASA24 promoter. In addition, we identified Growth Regulation Factor 4 (GhGRF4) as a transcription factor that interacts with GhARF2 to form a heterodimer complex, which also transcriptionally activates GhGASA24. Intriguingly, GhGRF4 regulates GhARF2 expression by directly binding to its promoter, thereby acting as a cascade regulator to enhance the transcriptional levels of GhGASA24. We propose that the GhGRF4/GhARF2-GhGASA24-GhCesAs module may contribute to fiber cell wall thickness by modulating cellulose biosynthesis, and provide a theoretical basis for improvement of fiber quality.
[学术文献 ] TRANSPARENT TESTA 16 collaborates with the MYB-bHLH-WD40 transcriptional complex to produce brown fiber cotton 进入全文
PLANT PHYSIOLOGY
Naturally colored cotton (NCC; Gossypium spp.) does not require additional chemical dyeing and is an environmentally friendly textile material with great research potential and applications. Our previous study using linkage and association mapping identified TRANSPARENT TESTA 2 (Gh_TT2) as acting on the proanthocyanin synthesis pathway. However, limited information is available about the genetic regulatory network of NCC. Here, we verified the effectiveness of Gh_TT2 and the roles of Gh_TT2 and red foliated mutant gene (Re) in pigment formation and deposition of brown fiber cotton (BFC). Variations in Gh_TT2 derived from interspecific hybridization between Gossypium barbadense acc. Pima 90-53 and Gossypium hirsutum acc. Handan208 resulted in gene expression differences, thereby causing phenotypic variation. Additionally, the MYB-bHLH-WD complex was found to be negatively modulated by TRANSPARENT TESTA 16/ARABIDOPSIS BSISTER (TT16/ABS). RNA-seq suggested that differential expression of homologous genes of key enzymes in the proanthocyanin synthesis pathway strongly contributes to the color rendering of natural dark brown and light brown cotton. Our study proposes a regulatory model in BFC, which will provide theoretical guidance for the genetic improvement of NCC.
