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破译棉花的基因密码

来源:  发布时间:2021-07-13

——记棉花生物学国家重点实验室

 

聚焦科技前沿

棉花生物学国家重点实验室(中国农业科学院棉花研究所、河南大学)是在原农业部棉花遗传改良重点开放实验室、河南省棉花生物学重点实验室和河南省植物逆境生物学重点实验室基础上于201110月由科技部批准建设,于20141月顺利通过了科技部组织的建设验收的一所国家重点的以棉花生物学为主要研究对象的实验室。20176月实验室通过科技部第一轮五年评估,评估结果为“良好”。实验室由中国科学院院士陈晓亚研究员担任学术委员会主任,20112015年由中国工程院院士喻树迅研究员担任实验室主任,2016年至今由中国农业科学院棉花研究所所长李付广研究员担任实验室主任。

实验室主要围绕棉花生物学重大科学问题开展基础和应用基础研究工作,为棉花基础创新提供原动力、为棉花重大前沿问题的解决提供支撑、为棉花高层科研人才培养和交流提供平台。目前,实验室拥有一支年龄结构合理,学术思想活跃,能够承担国家大型科研项目的中青年学术骨干队伍,瞄准国际棉花科技发展前沿并结合国家需求,从事棉花基因组学及遗传多样性、棉花品质生物学及功能基因、棉花产量生物学及遗传改良、棉花逆境生物学及环境调控4个方向的研究。

针对国际农业科技发展前沿并结合国家需求与黄淮海区域特点,实验室开展与旱地农业生产实践相关的重大基础理论和技术开发研究。围绕国家农业可持续发展重大需求,瞄准国际植物科学发展的前沿领域,根据实验室的研究特色和优势,开展与逆境农业生产实践相关的重大创新性基础和应用基础研究。系列研究工作发表在The Plant CellPlant Physiology等国际知名的学术刊物上,其中Plant Physiology2001,126:1438)论文单篇SCI他引300余篇次,为国内植物生物学界被引频次较高的一项工作。“提高植物水分利用效率的气孔调节机制研究”研究理论得到了国际同行的广泛认同,极大地提升了实验室在国际植物生物学界的影响力,先后获得2007年度国家高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖、2012年度国家自然科学奖二等奖等。所培养的博士生学位论文,有2篇被评为全国优秀博士学位论文提名论文。“生物节水的遗传学基础与技术”团队2009年入选教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队。

 

捷报频传

 

近日,中国农业科学院棉花研究所棉花分子遗传改良创新团队开展了棉花着丝粒的进化研究,开发出鉴定着丝粒的新方法,阐明了棉花着丝粒的快速进化机制,揭示了姊妹种抗逆性状分化的分子机制,为棉花的进化和抗逆遗传改良提供了资源。相关研究成果以“Cotton D genome assemblies built with long-read data unveil mechanisms of centromere evolution and stress tolerance divergence”为题发表在国际知名期刊《BMC生物学》(BMC Biology)上。

着丝粒是连接一对姐妹染色单体的特化DNA序列,它能够保证染色体在分裂的细胞中精确传递。着丝粒由高度复杂的重复序列构成,在基于短读长组装的基因组中序列质量不高,严重限制了人们对着丝粒功能和进化的认识。该研究基于纳米孔的单分子实时电信号测序技术(ONT)长读长序列,组装获得了瑟伯氏棉(G.thurberi)和戴维逊棉(G.davidsonii)高质量的参考基因组序列。利用Hi-C热图开发出鉴定着丝粒的新方法,成功鉴定棉花的着丝粒序列。通过共线性分析,实验室发现,着丝粒邻近区在不同棉种的同源染色体间保持良好的线性关系,而着丝粒区未见明显的共线性,说明着丝粒进化速度更快。进一步研究分析发现,种间同源染色体的着丝粒序列高度分化,所包含的转座子活性显著高于非着丝粒区的,阐明了着丝粒的快速进化机制。此外,研究还揭示了棉属姊妹种间的抗逆型分化的潜在分子机制,发现水杨酸(SA)信号通路在瑟伯氏棉与雷蒙德氏棉抗病分化中具有重要作用。脱落酸(ABA)信号通路、乙烯合成通路基因的差异表达可能导致了戴维逊棉与雷蒙德氏棉的耐盐能力分化。该研究结果为植物的着丝粒进化研究提供了参考,为棉花的抗逆遗传改良提供了新种质。

除此之外,实验室还开展了关于GhPAS1基因影响棉花株型的分子机制的研究。棉花是世界上重要的纤维和油料作物。我国是世界棉花生产、消费和进口第一大国,棉花在国民经济中发挥重要作用。株型是影响棉花机械化和产量的关键因素。棉花为多年生,无限生长,其侧枝较长,株型松散,不利于单产提高和机械化采摘。棉花株型相关基因的发掘和调控机制的解析是实现棉花株型改良的重要途径。

实验室研究团队在The Crop Journal在线发表了题为“The bHLH transcription factor GhPAS1 mediates BR signaling to regulate plant development and architecture in cotton”的研究论文。研究团队前期利用FOX-hunting系统从棉花中发掘到一个能够恢复拟南芥bri1-5突变体矮化紧凑表型的基因GhPAS1 (PAGODA1 SUPPRESSOR 1)。研究发现,GhPAS1属于bHLH转录因子,GhPAS1过表达能够显著促进转基因植株的生长,提高植株的生物量;转基因植株对油菜素内酯合成抑制剂BRZ (Brassinazole) 处理的敏感性减弱。GhPAS1过表达能够部分恢复棉花BR缺陷型突变体pag1的矮化表型,表明该基因是BR信号途径的正向调控因子。在陆地棉ZM24中沉默GhPAS1基因显著抑制了植株的生长发育,并极大地改变了棉花的株型结构,主要表现为植株的株高降低、果枝数目减少、果枝长度缩短和棉铃数目减少,这进一步表明GhPAS1基因在棉花株型建成中发挥重要作用。该基因的发掘为解析植物激素BR调控棉花株型建成的机制和棉花株型改良奠定了良好的基础。

 

造福社会民生

 

实验室注重对外开放和学术交流,与美国南方平原试验站等10个实验室保持长期的交流与合作,每年派遣40余人次进行互访交流和学习。另外,还与美国加州大学戴维斯分校、加州大学河滨分校、新泽西州立大学、得克萨斯农工大学及澳大利亚、荷兰、以色列、巴基斯坦、越南、印度、印度尼西亚等国家的50多个研究单位开展国际合作与交流;在国内,与北京大学、浙江大学、清华大学、中国科学院等有关院校和科研单位合作。实验室先后举办和承办了棉花学会年会、国际棉花基因组大会、第四届亚洲棉花研究与发展大会、第十二届全国植物基因组学大会、作物杂种优势利用国际学术大会等。积极实行“开放、流动、联合、竞争”的运行机制,积极创造条件,着力营造浓厚的学术氛围和宽松的工作环境,为实验室科研人员进行创新性研究提供充分的研究条件和平台。对于促进我国经济社会发展、农业科技进步和农民增收方面具有重要意义。

实验室总体目标是,坚持实验室的研究方向,参与国际学术前沿发展,规范地组织科学研究,引导重大原始创新性工作,做出具有国际影响的重大成果,造就该领域的优秀团队和国际知名学者,将实验室建成具有国际水平的国家棉花生物学基础研究公共平台、国内外学术交流中心、优秀人才培养基地,整体提升我国棉花科技自主创新能力,使我国在棉花遗传多样性研究与新基因挖掘、棉花纤维品质性状形成机理、棉花高产分子机理与品种设计、棉花逆境机理与环境调控等方面达到国际先进水平。


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2021年7月中

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