棉花到底從何處起源以及如何進化？棉花基因組藏著哪些奧秘？未來的棉花育種改良還需要哪些創新？4月20日，《自然—遺傳學》在線發表南京農業大學、德克薩斯大學、哈森阿爾法生物技術研究所、德州農工大學等單位合作成果。他們繪制了所有五個異源四倍體棉花種的高精度參考基因組圖譜，為探究多倍體植物基因組演化規律提供了重要參考依據。

據了解，主要的栽培棉花為異源四倍體，其形成經歷了復雜的雜交、多倍體化和馴化過程。大約150萬年前，起源于非洲的二倍體棉和美洲的二倍體棉雜交、基因組加倍形成五個異源四倍體種，分別是陸地棉、海島棉、毛棉、黃褐棉和達爾文氏棉。其中，陸地棉和海島棉被馴化成為栽培種，毛棉、黃褐棉和達爾文氏棉是野生種。

但是受制于四倍體基因組本身的復雜性和基因組測序技術，這五個種的形成與演變過程，一直以來未被精確揭示。

為深入解析棉花的進化規律并發掘野生棉種的優異基因，該研究綜合利用二代（Illumina）和三代（Pacbio）測序、染色質高級結構捕獲（Hi-C）技術，構建了所有五種異源四倍體棉花的高精度參考基因組。

這項研究發現，這五個種的形成是單一起源，并歷經了20~60萬年的自然演化，逐漸形成五個棉花種。其中，陸地棉和海島棉經過8000年左右的獨立人工馴化，成為最主要的栽培棉花。這意味著，在8000年前，生活在不同地域的人類祖先，幾乎在同時馴化了這兩個棉種。

該研究還發現，不同棉種在150萬年的雜交、多倍化和進化過程中，基因數量和排列結構并沒有非常顯著的變化。而在8000年左右的人工馴化過程中，陸地棉和海島棉的纖維長度和品質等發生了顯著改變。

研究揭示，雖然陸地棉和海島棉是獨立馴化，但馴化促使兩種栽培棉花的纖維發育基因共表達網絡趨向一致。這表明，即便身處兩地，人類祖先卻巧合地優化出了相似的基因表達模式，從而使得這兩種栽培棉的纖維長度增加，顏色也發生了改變。

一般來說，基因重組率低，會影響育種效率。此次研究揭示，多倍體化通過改變表觀遺傳修飾水平抑制遺傳重組率，而這種重組抑制可以通過種間雜交克服。也就是說，種間雜交可以重新激活基因重組率，進而提高棉花育種的效率。

此次成果首次揭示了五個多倍體棉花進化和馴化的遺傳和表觀遺傳規律，同時為通過種間雜交、表觀遺傳育種和基因編輯改良棉花提供了理論支撐和特有的基因組資源。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0614-5