2022年2月8日，中国农业科学院棉花研究所杜雄明课题组联合河南科技学院、华中农业大学和安阳工学院完成了陆地棉遗传渐渗对海岛棉群体结构和农艺性状影响的群体研究，该研究以“Introgression from Gossypium hirsutum is a driver for population divergence and genetic diversity in Gossypium barbadense”为题见刊The Plant Journal（IF=6.417）。百迈客有幸作为共同作者参与了这项研究。接下来，随小编一起来看看陆地棉遗传渐渗是如何影响海岛棉的群体结构和农艺性状。
研究背景
棉花作为世界上最重要的天然纤维作物，为满足现代纺织工业的需求，同时对纤维质量和产量进行遗传改良是棉花育种者面临的主要挑战之一。海岛棉（Gossypium barbadense）和陆地棉（Gossypium hirsutum）是棉花的主要异源四倍体栽培品种，海岛棉纤维质量高但产量低，适应性低，而陆地棉适应性广、产量高。
为提高海岛棉的适应性和纤维产量，长期以来一直采用与陆地棉种间杂交的方式进行育种。研究发现在驯化和改良过程中，陆地棉的遗传渐渗重组了海岛棉的基因组结构；然而，陆地棉渐渗对海岛棉的群体结构及农艺性状影响是尚未清楚的，因此有必要对两种栽培棉花间发生的渐渗进行系统的研究。
材料方法
对来自中国、南美、美国、埃及和中亚等全球主要棉花种植地区采集的365份海岛棉材料进行全基因组重测序，测序深度为～15.6×，继而进行群体遗传分析和全基因组关联分析；结合已测序的6份达尔文氏棉（Gossypium darwinii，海岛棉的野生近亲）和429份陆地棉鉴定陆地棉的遗传渐渗。
主要研究结果
1. 海岛棉群体遗传分析
本研究以5个陆地棉作为外群对365份海岛棉材料进行群体结构分析，发现海岛棉材料可以分为4个组，G1 (n = 22)，G2 (n = 174)，G3 (n = 106) 和 G4 (n=63)（图 1A, B），其中G1是原始的海岛棉材料，主要包括收集于我国西南山区的海岛棉和来自于秘鲁（海岛棉起源地）的两个材料，G2主要包括古老的被淘汰的海岛棉品种，G3和G4组分别是现代的海岛棉品种和来自于新疆地区的海岛棉。结合遗传背景和组间表型分析，表明本研究根据基因组信息对海岛棉群体结构的划分相对之前仅根据其地理来源划分的“中亚型”、“埃及型”和“比马型”更为准确。结合历史资料，本研究还发现G1的原始海岛棉可能是在17世纪的大航海时代直接从南美洲传入中国的，这比之前记录早得多；G4新疆地区的海岛棉可能是20世纪50年代后从前苏联引进的品种，此后进行了改良。
连锁不平衡（LD）分析发现栽培海岛棉的LD衰减距离与之前的研究相一致（图 1D），但是比同为异花授粉作物的玉米、水稻的高。为了研究海岛棉群体之间的种群差异，本研究通过FST分析（图 1E），结果表明G3和G4可能是来源于G2的多个原始种质资源；并且在不同的组间鉴定到许多海岛棉适应性及性状相关的基因。
图1 海岛棉群体遗传多样性及传播历史
2. 陆地棉与海岛棉全基因组遗传渐渗分析
本研究通过对365份海岛棉、6份达尔文氏棉和429份陆地棉进行渐渗分析，对海岛棉全基因组上来自于陆地棉的渐渗片段进行挖掘，共鉴定到315个渐渗区间，总长度为～164.4Mb，占海岛棉全基因组的7.3%（图 2A）；研究发现G3中渐渗片段最多，依次为G2和G4，G1中最少，表明人工驯化导致的遗传渐渗片段远远大于自然驯化。另外，约70%的渐渗区间（～120.5Mb）与群体遗传多样性高区间和群体分化区间是一致的（图 2C-H），表明陆地棉的渐渗片段显著增加了海岛棉的遗传多样性和群体分化。
为了研究陆地棉渐渗对海岛棉农艺性状的影响，通过对渐渗区间与农艺性状关联分析，鉴定到92个与农艺性状相关的渐渗区间，其中有11、9和7个渐渗区间分别与纤维强度（FS）、纤维长度（FL）及纤维马克隆值（FM）相关（图 2C, F）。以上结果表明，陆地棉的渐渗片段不仅影响海岛棉的群体结构，还对海岛棉的重要农艺性状起着重要的作用。
图2 陆地棉渐渗影响海岛棉的群体分化
3. 海岛棉重要农艺性状纤维马克隆值（FM）和纤维强度（FS）的GWAS分析
为了进一步分析海岛棉重要农艺性状的遗传基础，本研究对4个环境下326份海岛棉的17个纤维、产量、成熟期和形态等相关的农艺性状进行了GWAS分析，鉴定到两个稳定的纤维马克隆值（FM）相关的QLTs，分别位于D10的～15-18Mb（FM1）和D11的～8-13Mb（FM2）（图 3B）。对FM1和FM2进行单倍型分析显示，可以将FM1分为4种不同的单倍型（图 3C），其中FM1代表马克隆值低的优异单倍型，fm1代表马克隆值高的非优异单倍型，渐渗分析显示这些单倍型均来源于海岛棉。FM2可以被分为3种不同的单倍型，分别为马克隆值低的FM2和马克隆值高的fm2（图 3E），结果显示优异单倍型FM2可能来源于陆地棉。对携带不同单倍型的材料比较分析，显示携带两种优异单倍型（FM1和FM2）的材料纤维质量更高（图 3G）。分析发现G3携带更多的优异单倍型，G4携带较少的优异单倍型。综上所述，海岛棉品种的FM单倍型的重组和陆地棉单倍型的渐渗是现代海岛棉马克隆值较高的原因。
另外，GWAS分析鉴定到90个纤维强度（FS）相关的SNP位点，位于在A03上的5.60-6.50Mb区间上，群体遗传分析发现该区间的基因渐渗频率（FI）、核苷酸多样性（π）和群体分化程度（FST）较高，表明该区域与陆地棉的基因渐渗相关。
图3 海岛棉群体中FM位点挖掘及遗传基础
4. 海岛棉叶绒毛（LH）与生育期（GS）的单倍型分析
我国海岛棉主要生长在高纬度干旱的新疆地区，为了适应当地的环境，新疆的海岛棉获得了一系列独特的特征，如多毛和早熟等。本研究将叶绒毛（LH）相关QTL定位到A06染色体的99.84Mb-107.49Mb（图 4A），单倍型分析表明该区间有3种单倍型，即多毛（HapLH-1）、无毛（HapLH-2）和中间型（HapLH-3），G4、G1和G2/G3组分别含有这3种单倍型，分析表明多毛单倍型可能起源于海岛棉栽培品种（G1）。
生育期（GS）性状被定位在D07的14.91Mb-19.75Mb（图 4D-E），单倍型分析发现早熟单倍型可能起源于早期埃及材料，在栽培区域向北扩张的过程中，该单倍型在G4中占主导地位（图 4E-F）。通过分析全球海岛棉主要栽培区域，叶绒毛（LH）和生育期（GS）性状的选择随着种植区域的变化而不同，随着降水的减少和日照的增加，多毛单倍型LH和早熟单倍型GS的比例逐渐增加，有利于快速适应干旱和长日照环境（图 4G）。
此外，除了纤维品质和抗病性，本研究还分析了海岛棉株型和营养生长相关性状，分析发现早熟单倍型GS在果枝类型（FBT）、第一果枝节位数（FFB）和营养生长相关性状上具有多效性（图 3A），表明了这种对株型和营养生长的多效性影响也可能对海岛棉的种群分化和适应性产生影响。
图4 海岛棉群体中的适应性位点及其分布规律
研究小结
本研究对海岛棉地方品种及埃及型、比马型、中亚型和中国栽培品种的进行了系统的分析，通过全基因组渐渗分析和GWAS分析揭示了海岛棉的群体结构和传播途径，解析了陆地棉渐渗对海岛棉农艺性状的影响，鉴定到两个新的控制马克隆值的位点及优异单倍型。本研究为海岛棉纤维品质和适应性分子育种提供了重要的基因资源。
参考文献
Wang P, Wang M, Dong N, et al. Introgression from Gossypium hirsutum is a driver for population divergence and genetic diversity in Gossypium barbadense. Plant J. 2022;10.1111/tpj.15702.