《亚洲棉的生物学贡献及其在我国的传播途径》

中国已有2000多年植棉史。据文献记载,12世纪后期,亚洲棉(二倍体A基因组)开始在中国种植,并逐步遍及全国。1865年,陆地棉(四倍体AD基因组)从美国引入中国。解放后,陆地棉逐步取代亚洲棉,成为中国唯一大规模种植的栽培棉花。亚洲棉在中国植棉历史最长,是对中国民族发展贡献最大的棉花栽培种。亚洲棉与陆地棉是什么关系?与另一个二倍体A基因组种-草棉存在什么关系?亚洲棉是如何在中国传播的?学术上一直存在争议。

为此,在“二倍体棉花种质资源创新利用研究”、“棉花、麻类基因资源发掘与种质创新利用研究”支撑计划课题,“棉花水分高效利用关键基因的挖掘及抗旱材料创制”国家自然基金等国家项目支持下,从2006年起,课题组开始对亚洲棉进行系统研究,相关成果先后在《Nature Genetics》《Nature Biotechnology》等国际顶尖期刊发表。

研究成果包括:

1、从基因组水平佐证了亚洲棉是陆地棉供体种,发现转座子扩增是亚洲棉基因组倍增的根本原因。对陆地棉的A亚组与亚洲棉基因组进行分析,发现二者基因组序列相似性极高、基因数目接近且同源基因排列十分保守、重复序列比例与含量接近,从而佐证了亚洲棉是陆地棉A亚组供体种这一假说。研究发现亚洲棉在0-0.5百万年前和3.5-5百万年前,先后两次发生转座子扩增,其重复序列高达85.39%,是其基因组膨胀倍增的根本原因。

2、从基因组水平证明了亚洲棉与草棉为“兄弟”关系。亚洲棉与草棉是人类历史上仅有的2个二倍体栽培种。亚洲棉与草棉虽均为A基因组,但差异巨大,基因组分析发现,二者拥有共同祖先,分化后分别经历了独立的进化和驯化过程,最终形成两个独立栽培种。

3、从基因组水平证明了亚洲棉在中国是从南往北传播的。对中国215份亚洲棉核心材料分析,发现其基因型的分类与地理分布高度吻合,在中国已形成不同的生态类型。对亚洲棉基因型的多样性、进化关系及表型进一步分析,发现亚洲棉在中国是由南方向北方传播的。同时发现,在由南向北传播过程中,其抗病性基因型呈逐渐积累趋势,已成为显著的地理选择标记。

4、从基因组和分子水平推断亚洲棉是陆地棉纤维的主要贡献者。通常陆地棉的纤维长度是其供体种亚洲棉的2倍左右(另一供体种雷蒙德氏棉无纤维)。研究发现亚洲棉短纤维的发育和拟南芥表皮毛的分化具有相似遗传调控机制,但进化过程中,棉纤维丢失了“分叉”功能。对亚洲棉和陆地棉基因组扫描,发现二者在基因组结构特征及共线性上均存在极高的相似性,推测亚洲棉与陆地棉的棉纤维发育可能共享一套机制。研究发现陆地棉中乙烯含量介于二个供体种之间且偏向亚洲棉,推断亚洲棉是陆地棉纤维的主要贡献者。

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