陆地棉基因组测序揭示四倍体棉进化与纤维发育机制Sequencing of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum L. acc. TM-1) provides a resource for fiber improvement研究对象：陆地棉遗传标准系TM-1期刊：Nature Biotechnology影响因子：41.514合作单位：南京农业大学发表时间：2015年4月摘 要Upland cotton is a model for polyploid crop domestication and transgenic improvement. Here we sequenced the allotetraploid Gossypium hirsutum L. acc. TM-1 genome by integrating whole-genome shotgun reads, bacterial artificial chromosome (BAC)-end sequences and genotype-by-sequencing genetic maps. We assembled and annotated 32,032 A-subgenome genes and 34,402 D-subgenome genes. Structural rearrangements, gene loss, disrupted genes and sequence divergence were more common in the A subgenome than in the D subgenome, suggesting asymmetric evolution. However, no genome-wide expression dominance was found between the subgenomes. Genomic signatures of selection and domestication are associated with positively selected genes (PSGs) for fiber improvement in the A subgenome and for stress tolerance in the D subgenome. This draft genome sequence provides a resource for engineering superior cotton lines.关键词陆地棉；de novo；四倍体研究背景陆地棉（Gossypium hirsutum L.）隶属锦葵目（Malvales），锦葵科（Malvaceae），棉属（Gossypium），因最早在美洲大陆种植而得名，是世界上最重要的棉花栽培品种，占全球棉花种植面积的90%以上。
尽管陆地棉在棉花产业中占据核心地位，但由于其为异源四倍体，相关的全基因组测序工作一直难以开展。
来自南京农业大学、北京诺禾致源、美国德克斯大学的国际团队，利用最新测序技术，成功构建了高质量的陆地棉全基因组图谱，为进一步改良棉花的农艺性状提供了基础，同时也为多倍体植物的形成和演化机制提供了新的启示。
植物研究结果1、陆地棉基因图谱绘制陆地棉基因组大小为2.5 Gb，组装结果contig N50达到34 Kb，scaffold N50达到1.6 Mb，其中92%的scaffold 可定位到染色体上。
组装结果优于目前已测序的多倍体植物油菜(N50=764 Kb)、烟草（N50=345-386 Kb）等。
2、A 亚组和D 亚组非对称进化通过比较陆地棉（AADD）、雷蒙德氏棉（DD）和亚洲棉（AA）的基因组序列，估算出陆地棉形成于一百万至一百五十万年前。
在陆地棉形成后的一百多万年内，A 亚组不仅有更高的蛋白质进化速率，其染色体重排发生频率与及基因丢失和失活的频率均显著高于D 亚组（图1）。
3、A 亚组和D 亚组对陆地棉性状的互补性贡献分析发现811个正选择基因（470个在A 亚组，341个在D 亚组），在A 亚组中，正选择基因与纤维长度的发育有重要关系；而在D 亚组中，正选择基因多与抗性有关。
该结果表明陆地棉继承了两个祖先种中各自的优良性状，因此具有良好的纤维品质及广泛的适应性。
4、棉纤维关键基因的表达及进化分析对MYB 、CESA 等纤维发育相关的重要基因开展了表达及进化分析。
MYB 基因家族中的一个分支在纤维发育中起重要的作用；陆地棉中多个CESA 基因在驯化过程中受到了显著的正选择作用，可能与棉纤维品质的改良有直接关系（图2）。
图1 异源多倍体棉花基因组共线性分析与非对称进化分析参考文献Zhang T, Hu Y, Jiang W, et al . Sequencing of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum L. acc. TM-1) provides a resource for fiber improvement [J]. Nature biotechnology, 2015, 33(5): 531-537.图2 MYB 基因家族表达模式分析野生大豆泛基因组阐明遗传多样性与重要农艺性状De novo assembly of soybean wild relatives for pan-genome analysis of diversity and agronomic traits 研究对象：大豆期刊：Nature Biotechnology影响因子：41.514合作单位：中国农业科学院作物科学研究所发表时间：2014年9月摘 要Wild relatives of crops are an important source of genetic diversity for agriculture, but their gene repertoire remains largely unexplored. We report the establishment and analysis of a pan-genome of Glycine soja, the wild relative of cultivated soybean Glycine max , by sequencing and de novo assembly of seven phylogenetically and geographically representative accessions. Intergenomic comparisons identified lineage-specific genes and genes with copy number variation or large-effect mutations, some of which show evidence of positive selection and may contribute to variation of agronomic traits such as biotic resistance, seed composition, flowering and maturity time, organ size and final biomass. Approximately 80% of the pan-genome was present in all seven accessions (core), whereas the rest was dispensable and exhibited greater variation than the core genome, perhaps reflecting a role in adaptation to diverse environments. This work will facilitate the harnessing of untapped genetic diversity from wild soybean for enhancement of elite cultivars.关键词大豆；泛基因组；SOAPdenovo；农艺性状研究背景大豆是重要的油料和高蛋白粮饲兼用作物，近年来，我国乃至世界大豆育种难以取得突破性进展，单产停滞不前，其主要原因是目前大豆品种的遗传基础狭窄，匮乏的基因源成为制约栽培大豆育种研究的关键。
野生大豆具有较强的抗逆性和繁殖能力，是栽培大豆重要的基因资源。
方法流程植物图1 7株野生大豆共有和特有基因集参考文献Li Y, Zhou G, Ma J, et al . De novo assembly of soybean wild relatives for pan-genome analysis of diversity and agronomic traits [J]. Nature biotechnology, 2014, 32(10): 1045-1052.3、变异检测及注释以栽培大豆基因组为参考，7株野生大豆分别鉴定出SNP 3.6-4.7百万个，其中0.12-0.15百万个位于编码区；InDel 0.50-0.77百万个，2,989-4,181个导致了移码；大量的变异位点（44-53%）为重测序手段未能识别出的新位点（图2）。
4、进化分析野生大豆与栽培大豆的祖先约在80万年前即发生了分化（图3）；正选择分析发现栽培大豆受选择的基因多与抗旱有关，而野生大豆中受选择基因非常多样化。
5、农艺性状基因定位鉴定出大量与抗逆、抗病、花期、产油量和高度等重要农艺性状相关基因和变异，例如14号染色体上一段8 Kb 的片段与野生大豆抗逆和植物发育相关，野生大豆和栽培大豆开花时间的差异与开花时间调控基因SNP 和InDel 变异有关（图4）。
研究结果1、组装和注释7株野生大豆基因组最小为889.33 Mb。
最大为1118.34 Mb，7株野生大豆基因组组装结果contig N50约7.7-26.6 Kb，scaffold N50约16.3-62.7 Kb，平均每个基因组注释出55,570个基因，其中85-90%的基因为全长基因。
2、泛基因组构建对7个野生大豆基因组进行比较，发现它们共有59,080个基因家族（pan-genome），48.6%为7个野生大豆共享(core-genome)，51.4%则仅存在于个别样本中（dispensable-genome）（图1）。