CGM第602期：异源四倍体棉花的进化基因组动态与作物改良

陆地棉（Gossypium hirsutum）是世界上最主要的天然纤维作物，但长期驯化和现代育种造成栽培品种遗传背景趋同，限制了抗病、优质纤维和高产等性状的持续改良。传统基因组研究通常以单一参考基因组为基础，主要关注单核苷酸多态性，难以系统捕获不同棉花材料间普遍存在的基因存在—缺失变异、染色体倒位、易位等结构变异。由于缺少覆盖野生、半野生、地方品种和现代栽培品种的高质量基因组资源，陆地棉在美洲的演化与驯化轨迹、海岛棉基因渗入对遗传多样性的贡献，以及结构变异对抗病和纤维等重要农艺性状的影响，尚未得到系统解析。

本研究从3600份材料中筛选获得107份代表性的陆地棉种质资源材料，构建了覆盖“半野生—地方品种—现代栽培品种”连续演化过程的高分辨率的结构变异图谱。通过整合大片段结构变异的地理分布与驯化历史，揭示了陆地棉从祖先分化到人工驯化的连续演化轨迹，证实尤卡坦半岛与危地马拉东部为其演化分化的核心区域；同时发现，来自海岛棉（Gossypium barbadense）的持续基因渗入显著塑造了陆地棉地方品种和现代品种的遗传多样性与环境适应性。通过对泛NLR抗病基因组的分析，研究揭示了病原菌选择驱动的抗病基因结构多样化，并定位到与病害抗性相关的遗传位点。进一步结合基因存在—缺失变异关联分析，研究发现了69个传统SNP关联分析难以识别的纤维性状相关位点；其中，一个806 bp插入变异与纤维强度和种子指数共同关联，表明大尺度DNA片段的存在或缺失同样可以参与重要农艺性状形成。此外，研究绘制了陆地棉大型倒位的精细图谱，发现倒位调控棉花纤维颜色等重要农艺性状，为利用结构变异指导育种提供科学依据。

该研究表明，陆地棉的遗传多样性不仅体现在单个碱基的改变，还广泛蕴藏于基因的存在或缺失、抗病基因簇的结构差异、染色体重排及种间基因渗入之中。图泛基因组将这些传统单一参考基因组容易遗漏的变异纳入统一分析框架，不仅重建了陆地棉的演化和驯化历史，而且揭示了重要农艺性状更完整的遗传基础。该研究为挖掘优异抗病、纤维和种子性状基因资源，优化杂交组合并降低连锁累赘，以及推动棉花分子设计育种提供了重要的基因组资源和理论依据。