近日，浙江大学农业与生物技术学院棉花精准育种团队系统分析了四倍体主栽棉种陆地棉和海岛棉在多倍体化与种间分化过程中的基因丢失事件。该研究找回了一个在陆地棉中丢失的磷脂酶A编码基因GhNpLA1，并对其提升棉花纤维长度的分子机制进行了深入研究。该成果不仅阐明了海岛棉和陆地棉纤维长度差异的机制，也为棉花性状改良提供了一种新的策略。相关研究成果在线发表在植物学知名期刊《plant Biotechnology Journal》。

基因组在漫长的进化历程中，通过全基因组加倍，在扩增遗传物质的总量，产生大量的新基因和适应性的同时，也产生了大量的冗余序列。这些冗余的序列即使包含有基因，也会在基因组进化的过程中不断的通过结构变异等过程丢失（Gene lost）。这些丢掉的基因中，主要是大量的无用基因，但也有一些被“误伤”的功能基因。尤其是在作物基因组进化与驯化过程中，一些对农业生产有益的基因也被“丢掉”。棉花二倍体和四倍体物种的基因组测序，为找回那些曾经被“丢掉”的基因资源奠定了基础。

研究团队系统分析了棉花从二倍体到四倍体，再到陆地棉和海岛棉种间分化过程中的基因丢失事件。相比二倍体祖先种，在陆地棉和海岛棉中分别鉴定出18.14%和17.38%的蛋白编码基因出现了较大的序列变异。这些被破坏的基因进化速率更快、表达水平更低，以及共表达网络随之发生变化。其中，陆地棉D亚基因组上存在一个2-bp的序列缺失，导致了磷脂酶A编码基因GhNpLA1D提前终止，该现象仅在陆地棉D亚组中检测到，在二倍体祖先种、海岛棉群体中均检测不到。说明在四倍体棉花形成后，该缺失几乎只存在于纤维长度普遍较短的陆地棉中，而在纤维长度优异的海岛棉中，有功能性的AD亚组基因均被保留。


图1：棉花多倍化与种间分化过程中基因丢失的鉴定

为了阐明GhNpLA1在海岛棉和陆地棉中拷贝数差异是否导致海陆纤维长度差异，进一步利用A亚组同源基因GhNpLA1A进行转基因研究。结果表明，过表达GhNpLA1A促进棉花纤维伸长，而抑制GhNpLA1A的表达会导致棉花纤维变短。还发现GhNpLA1A在体外具有磷脂酶A的活性，具有加速磷脂类物质合成的功能，导致在转基因株系中磷脂类物质含量上升。过表达GhNpLA1A可以提升细胞内亚麻酸和34:3磷脂酰肌醇水平，从而促进棉纤维伸长。以上研究为解析海岛棉和陆地棉纤维品质差异形成机制提供了新思路，同时展现了找回“丢掉”的基因GhNpLA1D在棉纤维改良中的潜在应用价值。

图2：恢复GhNpLA1提升棉花纤维品质

浙江大学农业与生物技术学院方磊副教授、浙江大学海南研究院青年研究员张志远，浙江大学特聘研究员赵汀为论文共同第一作者。方磊副教授、张天真教授为本文的共同通讯作者。浙江大学百人研究员关雪莹、南京大学卢山教授也参与了此项研究。本研究得到了国家自然科学基金项目、海南崖州湾种子实验室项目、三亚崖州湾科技城项目、浙江省创新创业团队引进培育计划的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.13862