農(nóng)學(xué)院棉花精準(zhǔn)育種團(tuán)隊(duì)在Plant Biotechnology Journal發(fā)文揭示棉花纖維品質(zhì)提升的分子機(jī)制
? ? 近日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院棉花精準(zhǔn)育種團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了四倍體主栽棉種陸地棉和海島棉在多倍體化與種間分化過程中的基因丟失事件。該研究找回了一個(gè)在陸地棉中丟失的磷脂酶A編碼基因GhNPLA1，并對其提升棉花纖維長度的分子機(jī)制進(jìn)行了深入研究。該成果不僅闡明了海島棉和陸地棉纖維長度差異的機(jī)制，也為棉花性狀改良提供了一種新的策略。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在植物學(xué)知名期刊《Plant Biotechnology Journal》。
基因組在漫長的進(jìn)化歷程中，通過全基因組加倍，在擴(kuò)增遺傳物質(zhì)的總量，產(chǎn)生大量的新基因和適應(yīng)性的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的冗余序列。這些冗余的序列即使包含有基因，也會(huì)在基因組進(jìn)化的過程中不斷的通過結(jié)構(gòu)變異等過程丟失（Gene lost）。這些丟掉的基因中，主要是大量的無用基因，但也有一些被“誤傷”的功能基因。尤其是在作物基因組進(jìn)化與馴化過程中，一些對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益的基因也被“丟掉”。棉花二倍體和四倍體物種的基因組測序，為找回那些曾經(jīng)被“丟掉”的基因資源奠定了基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了棉花從二倍體到四倍體，再到陸地棉和海島棉種間分化過程中的基因丟失事件。相比二倍體祖先種，在陸地棉和海島棉中分別鑒定出18.14%和17.38%的蛋白編碼基因出現(xiàn)了較大的序列變異。這些被破壞的基因進(jìn)化速率更快、表達(dá)水平更低，以及共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)隨之發(fā)生變化。其中，陸地棉D亞基因組上存在一個(gè)2-bp的序列缺失，導(dǎo)致了磷脂酶A編碼基因GhNPLA1D提前終止，該現(xiàn)象僅在陸地棉D亞組中檢測到，在二倍體祖先種、海島棉群體中均檢測不到。說明在四倍體棉花形成后，該缺失幾乎只存在于纖維長度普遍較短的陸地棉中，而在纖維長度優(yōu)異的海島棉中，有功能性的AD亞組基因均被保留。
圖1：棉花多倍化與種間分化過程中基因丟失的鑒定?
為了闡明GhNPLA1在海島棉和陸地棉中拷貝數(shù)差異是否導(dǎo)致海陸纖維長度差異，進(jìn)一步利用A亞組同源基因GhNPLA1A進(jìn)行轉(zhuǎn)基因研究。結(jié)果表明，過表達(dá)GhNPLA1A促進(jìn)棉花纖維伸長，而抑制GhNPLA1A的表達(dá)會(huì)導(dǎo)致棉花纖維變短。還發(fā)現(xiàn)GhNPLA1A在體外具有磷脂酶A的活性，具有加速磷脂類物質(zhì)合成的功能，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)基因株系中磷脂類物質(zhì)含量上升。過表達(dá)GhNPLA1A可以提升細(xì)胞內(nèi)亞麻酸和34:3磷脂酰肌醇水平，從而促進(jìn)棉纖維伸長。以上研究為解析海島棉和陸地棉纖維品質(zhì)差異形成機(jī)制提供了新思路，同時(shí)展現(xiàn)了找回“丟掉”的基因GhNPLA1D在棉纖維改良中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
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圖2：恢復(fù)GhNPLA1提升棉花纖維品質(zhì)
? ? ? ? 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院方磊副教授、浙江大學(xué)海南研究院青年研究員張志遠(yuǎn)，浙江大學(xué)特聘研究員趙汀為論文共同第一作者。方磊副教授、張?zhí)煺娼淌跒楸疚牡墓餐ㄓ嵶髡?。浙江大學(xué)百人研究員關(guān)雪瑩、南京大學(xué)盧山教授也參與了此項(xiàng)研究。本研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、三亞崖州灣科技城項(xiàng)目、浙江省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)引進(jìn)培育計(jì)劃的資助。
? ? ?? 原文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.13862
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