棉花是世界性重要的经济作物，其产生的天然纺织纤维具有绿色、保暖、透气和穿着舒适的优势。陆地棉和海岛棉是两大四倍体栽培棉种。陆地棉产量高，适应性广，占世界棉花总产量的90%以上；海岛棉具有更长，更强，更细的纤维品质，但适生范围窄，占世界棉花总产量的3%左右。与许多具有高产特性的陆地棉品种相比，兼具高产和优质纤维特性的陆地棉品种相对匮乏。发掘优异纤维基因及种质材料，培育聚合优质纤维和高产特性的陆地棉品种，是现代棉花育种的迫切需求。作为优质纤维品质性状的重要供体，系统解析海岛棉优异纤维品质形成的遗传基础，是充分利用其优质纤维天然优势改良陆地棉纤维品质的第一步。
近日，实验室棉花遗传与种质创新利用团队在Plant Physiology在线发表了题为“Combined genome and transcriptome analysis of elite fiber quality in Gossypium barbadense”的研究论文。该研究利用一套海岛棉自然群体，整合基因组、转录组和纤维品质表型分析，揭示了生长素和乙烯等激素相关基因在纤维发育过程中高表达，陆地棉染色体片段渐渗，海岛棉在育种过程中优异单倍型的驯化选择和重组是海岛棉优质纤维形成的三个主要贡献因素。
通过对不同来源的269份海岛棉种质材料基因组重测序及群体遗传结构分析，发现供试材料分为3个组，其中G1和G2群以来自中国新疆种植的现代品种为主，G3群由世界各地广泛引进的材料构成。与G2和G3相比，G1群的纤维品质最优。通过对多环境下5个纤维品质性状的全基因组关联分析，共鉴定出与纤维品质相关的512个qtl（主效QTL）和94个qtlE（环境相互作用的QTL），其中292个qtl和57个qtlE与已报道的位点共定位。结合纤维发育不同时期基因表达差异比较，局部关联分析和基因组陆地棉渐渗片段鉴定等研究，发现激素相关基因在纤维发育过程中的高表达，陆地棉染色体片段渐渗，优异等位基因变异的驯化重组是贡献海岛棉优异纤维品质的三个主要因素。G1群包括更多的优异陆地棉渐渗片段和优质海岛棉驯化位点，表明优异位点的聚合效应在优质纤维海岛棉种质形成中发挥了重要作用。该研究发掘了839个与优质纤维品质相关的候选基因，实验证实了陆地棉渐渗基因在海岛棉纤维品质改良中的重要性。与GB_D03G0092B相比，来自陆地棉渐渗的单倍型GB_D03G0092H显著提高了纤维品质。基因序列分析发现，GB_D03G0092H基因编码区存在1-bp缺失，产生移码突变，导致GB_D03G0092B和GB_D03G0092H编码蛋白的氨基酸序列和长度均发生变异。亚细胞定位表明，GB_D03G0092H定位于细胞膜，而GB_D03G0092B定位于细胞核和细胞膜。在拟南芥中过表达GB_D03G0092H单倍型显著增加了细胞长度，而过表达GB_D03G0092B单倍型则明显抑制了细胞伸长，表明这两个单倍型在细胞伸长上行使相反功能。
图2 GB_D03G0092B和GB_D03G0092H单倍型基因结构及功能分析
海岛棉拥有优异的纤维品质，有“棉中黄金”的美誉，其纺织产品具有“羊绒质感，丝绸光泽”，深受消费者青睐。但因其产量低更显稀缺和昂贵。该研究系统揭示了海岛棉优异纤维品质形成的遗传基础，为充分利用海岛棉优质纤维性状改良陆地棉纤维品质提供了优异位点和基因资源，为创制优质、高产的陆地棉品种提供了设计育种的科学思路。
实验室博士研究生宋晓辉为论文第一作者，郭旺珍教授为论文通讯作者。朱国忠副研究员，王海棠博士，尚小光副教授，在读研究生于羽嘉，段宇佳参与了部分工作。新疆农业大学陈全家教授和苏秀娟教授，新疆农业科学院徐海江研究员也参与了该项研究。该研究得到科技创新2030-重大项目（2023ZD04069），江苏省重点研发计划（BE2022384）和省部共建现代作物生产协同创新中心项目资助。
