国际棉花基因组测序计划解读

第３３卷　第５期　Ｖｏ１．３３，　・江　西　棉　ＣＯＴＴ０Ｎ　花　２０ｌ　１年１０月　Ｏｃｔ．，２０１１　ｊＩＡＮＧＸＩ　Ｎｏ．５　专题综述・　国际棉花基因组测序计划解读　贺西安，李江，张小云，任虹　（中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐８３００１１）　摘要：通过对陈增建等２００７年发表于美国《植物生理学》的（ｇｔ花基因组测序白皮书）等文章的综合理解。来解读国际棉花基　因组测序的意义与展望，以及国际基因组织在棉花基因组测序的方法、重点突破方向、目标等方面迭成的共识。为棉花种质研　究和品种改良提供参考。　关键词：国际；棉花；基因组；测序计划；解读　中图分类号：￥５６２．０３５．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—０４９９　Ｉ２０１１）０５—０００３—０３　一个生物的全基因组序列蕴藏着这一生物的起源、进化、发育、生理及与所有遗传性状有关的重要信息。　棉花基因组序列也同样蕴藏着与棉花高产优质、抗病抗虫、耐旱耐涝等所有性状的遗传信息。解析棉花基因组　序列是改进棉花纤维品质、提高产量的前提与基础，也可为研究棉种起源、进化提供直接的依据。然而，尽管　基因组测序技术的成本有了迅速降低，基因组测序的新技术也在不断问世，但人类对被子植物基因组学仍然所　知甚少。棉花（Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ　ｓｐｐ．）基因组学就代表了一个富有挑战性的案例。全球棉花基因组科学家联盟已经制　定了棉花基因组测序的策略，这将极大地扩大全球棉花研究和品种改良的机会。　作者根据陈增建等２００７年发表于美国《植物生理学》的《棉花基因组测序白皮书》…、南京农业大学撰写　的“国际棉花基因组测序计划”ｌ２　、范建的“中美首次联合开展棉花基因组测序研究”［３　等文章的综合理解，来　解读国际棉花基因组测序计划。　１　棉花基因组测序的重要意义　棉花是世界上最重要的天然纺织纤维和意义重大的油料作物。棉籽是饲料、食品和油类的重要来源。世界　棉花纤维消费量每年大约２７　０００　ｋｔ。棉花纤维生产和加工的遗传改善，将会确保这一天然可再生产品与石油衍　生合成纤维的竞争力。此外，用于食品和饲料的棉子改良也能大大提高面临食物挑战的全球千百万人的营养和　生计。　棉花的全球经济影响约为５　０００亿美元，年。棉花生产约为全球１００万个家庭提供了收入，大约有１５０个国　家与棉花进出口贸易有关。世界上有８Ｏ多个国家生产棉花，包括澳大利亚、印度、巴基斯坦、美国、墨西哥、　乌兹别克斯坦和一些非洲国家。中国是全球最大的原棉生产国和消费国，美国是第二大生产国。美国种植的棉　花，棉纤维的产值约６０亿美元，年，棉籽油和饼粕价值约为ｌ０亿美元，年。棉花也是乌兹别克斯坦等一些发展　中国家的主要经济来源，乌兹别克斯坦每年生产原棉大约４　０００　ｋｔ，棉花纤维出１２１约为９亿美元。　棉纤维是研究植物细胞伸长、细胞壁与纤维素合成的最好材料。每粒种子有大约２５　０００个棉纤维，且每　一个都是出自胚珠表皮层单一的、大大拉长的细胞。棉纤维近乎完全由纯纤维素（植物生物量的最大组成部　分）构成。相对于木质素而言，纤维素更容易转换为生物燃料。棉纤维和纤维素的转化基因组学可能导致不同　作物的生物量改善。　棉属包括大约４５个二倍体种（２ｎ＝２ｘ＝２６）和５个四倍体种（２ｎ＝４ｘ＝５２），均表现双体的遗传模式。二　倍体棉种（２ｎ＝２６）分为Ａ～Ｇ和Ｋ等８个基因组。其中非洲种分支包括Ａ、Ｂ、Ｅ和Ｆ基因组，天然生长在非　收稿日期：２０１１一ｏ７—０８　《江西棉花》欢迎投稿，欢迎订阅！　・３　・　江西棉花　ｖｏ１．３３，Ｎｏ．５　贺西安，等：国际棉花基因组测序计划解读　２０１　１年１０月　洲和亚洲；Ｄ基因组分支产于美洲；Ｃ、Ｇ和Ｋ基因组在澳大利亚发现；而带５２个染色体的棉种，包括陆地棉　和海岛棉是经典的天然四倍体，源于新大陆，是由似Ａ基因组的非洲祖先种和似Ｄ基因组的美洲种经种间杂　交产生的。现存与原始四倍体的祖先棉有亲缘关系的是草棉（Ａ１）、亚洲棉（Ａ２）和雷蒙德氏棉（Ｄ５）。据估　计，多倍体产生于一至两百万年前，从而产生现存的５个异源四倍体种。有趣的是，Ａ基因组棉种能生产可纺　性纤维的数量和种植规模均有限，而Ｄ基因组棉种则不然，全世界超过９５％的棉花是陆地棉或美洲棉，而超　长绒棉或比马棉（海岛棉）所占比例还不到２％。弄清Ａ和Ｄ亚基因组在四倍体基因表达中的贡献可能有助于　改善纤维品质性状。　解码棉花基因组将是提高对棉属多倍体性、基因组大小变异的功能和农艺学重要性认识的基础。雷蒙德氏　棉（Ｇ．ｒａｉｍｏｎｄｉｉ‘Ｕｌｂｒｉｃｈ’）单倍体基因组大小估计约为８８０　ＭＢ，亚洲棉（Ｇ．ａｒｂｏｒｅｕｍ）约１．７５　ＧＢ，陆地棉（Ｇ．　ｈｉｒｓｕｔｕｍ）约２．５　ＧＢ。二倍体物种ＤＮＡ含量的变异反映着不同重复家族拷贝数的增加和减少，尤其是类反转录　转座子成分。异源多倍体ＤＮＡ的含量大约是Ａ和Ｄ基因组祖先的总和，在异源多倍体中调查的２２　０００个扩增　片段长度多态性中几乎所有都是累加的片段。这表明了基因表达的遗传和表观遗传机制，在表型变异和异源四　倍体物种选择中的作用。　２　国际棉花基因组测序计划的共识　从当前的发展来看，国际棉花科学家已就棉花全基因组测序达成了如下一致意见。　２．１关于棉花全基因组测序的方法　目前用于全基因组测序的方法主要有两种：全基因组霰弹法（即鸟枪法）和基于高分辨率物理图谱的逐步　克隆法。这两种方法各有利弊。以鸟枪法为主的随机测序方法为例，由于并行化程度大大提高，可以较快地对　一个基因组完成测序，因此目前被大部分基因组测序中心所采用，但由于是随机测序，就需要对基因组进行高　冗余测序，这势必增加了测序周期和费用；且拼接阶段的工作又远比测序阶段费时费力，尽管利用计算机技术　和新的算法已经大大加快了拼接的速度，但拼接过程依然占整个测序花费时间的９０％，成为基因组测序中的　一个瓶颈。此外，对于无法克隆片断和重复序列以及多拷贝的基因问题，目前还没有根本的解决办法。由于棉　花基因组比较大、重复序列多达７０％，以及同源染色体存在的前提，采用物理图谱的逐步克隆法进行棉花基　因组的测序是一条可行途径。当前的首要任务是绘制更高分辨率的染色体物理图谱为全基因组的测序工作提供　框架图。　２．２关于棉花全基因组测序的重点突破方向　比较基因组学的研究表明，基因的内容和顺序在棉花物种的基因组中高度保守，即使其基因组大小差异显　著，因此，雷蒙德氏棉在所有棉花物种中，虽然它不是栽培种，但其基因组最小，是首先实施测序的极好选　择。如果可以得到主要棉花栽培品种陆地棉的综合物理图谱（陆地棉基因组是雷蒙德氏棉的３倍），雷蒙德氏　棉的序列信息随时可以通过把其综合物理图谱的ＢＡＣ末端序列作为锚而转移给陆地棉。　美国能源部ＤＯＥ联合基因组研究所已将雷蒙德氏棉选定为研究棉花和相关物种基因组的对象进行测序。　在测序计划的第一阶段，是对覆盖约１倍的雷蒙德氏棉全基因组进行鸟枪法测序。尽管该数目距离组装基因组　测序图谱的全克隆（是雷蒙德氏棉基因组６倍）还相差很远，但是它将首次为棉花基因组和有效研究棉花全基　因组及其他棉花重要物种提供有用的信息。　２．３关于棉花全基因组测序的目标　从长远来看，棉花基因组测序最重要的目标是建立占世界棉花产量９２％以上的、最广泛栽培的陆地棉种　其全基因组序列。但由于其基因组丰富、尺幅大（约２．５　ＧＢ）、多倍体性质以及其他复杂性，必须制定分阶段　实施的策略才能够生效。　为实现对陆地棉全基因组测序这一长远目标，眼下须采取如下分阶段实施行动：首先进行雷蒙德氏棉（棉　花栽培种的可能始祖和基因组最小）全基因组鸟枪法测序，用以提供棉花基因内容和组织的基本信息；其次，　进行四倍体陆地棉对应片段的比较测序，用以揭示可能会在全测序期间遇到的技术障碍；第三，制定并实施提　４・　．　・《江西棉花》投稿邮箱：ｍｈｋｘ１９７９＠１６３．ｔｏｍ或ｊｘｍｈ＠ｃｈｉｎａｊｏｕｍａ１．ｎｅｔ．１２１＇１　江西棉花　ｖｏＩ．３３，Ｎｏ．５　贺西安，等：国际棉花基因组测序计划解读　２０１　１年１０月　供陆地棉高质量序列的策略，这很可能需要确立陆地棉部分同源染色体的指纹毗连序列群的最小路径；第四，　开发生物信息学和数据库工具，用以组装和分析，使相关信息可以为棉花业界全体同仁所利用。　棉花科学家一致认为，未来棉花基因组序列信息的表达和利用应该在分子和硅片水平上进行，结合功能和　结构基因组资源，为基因组序列的注释和表达分析全长基因的功能和结构基因组资源，进行棉花基因组序列的　详细注释，以支持基因的发现和以图谱为基础的该物种克隆，实现识别ＤＮＡ序列多样性（单核苷酸多态性与　基因组特定的多态性）大规模的平台，促进高清晰度全基因组关联研究，开发基因拼接阵列来支持生物性状和　农艺性状的基因表达和外来成分分析，以及测序和注释小ＲＮＡｓ序列和微ＲＮＡｓ，并确定其目标。　３　棉花全基因组测序的展望　鉴于解码棉花基因组将是提高对棉属多倍体性和基因组大小变异的功能和农艺学重要性认识的基础，棉花　全基因组测序将推动基因组进化、多倍体及相关二倍体、基因表达、细胞分化和发育、纤维素合成、细胞生　长、细胞生源论的分子决定因素，以及表观等的基础研究。实际成果将包括对改善棉花安全生产和可持续生产　十分关键的产量和品质，并扩大棉花种质资源和产品的使用价值。除此之外，棉花基因组测序的成功还会带来　一些关键性的农业生产要素的改善，如提高产量、提高水分利用效率、增强抗生物胁迫和非生物胁迫，以及减　少肥料和农药需求等。　参考文献：　［１］Ｃｈｅｎ　Ｚ　Ｊ，Ｓｃｈｅｆｆｌｅｒ　Ｂ　Ｅ，Ｄｅｎｎｉｓ　Ｅ．Ｔｏｗａｒｄ　Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ　Ｃｏｔｔｏｎ（Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ）Ｇｅｎｏｍｅｓ［Ｊ】．Ｐｌａｎｔ　Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ。２００７。１４５（４）：１３０３—１３１０　［２］南京农业大学．国际棉花基因组测序计划［Ｊ］．国际学术动态，２００８，（２）：２６—２７．　［３】范建．中美首次联合开展棉花基因组测序研究［Ｎ】．科技日报，２００８—０７—１１．　Ａｎ　Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｔｔｏｎ　Ｇｅｎｏｍｅ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｈｅ　Ｘｉ’ａｎ，Ｌｉ　Ｊｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｏｙｕｎ，Ｒｅｎ　Ｈｏｎｇ　（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ．，Ｗｕｌｕｍｕｑｉ　８３００１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｌａｔｅ　ｔｈｅ｛Ｗｈｉｔｅ　Ｐａｐｅｒｓ　ｏｆ　Ｃｏｔｔｏｎ　Ｇｅｎｏｍｉｃ　Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ｝ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ｛ｐｌａｎｔ　ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ｝　ｏｆ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　ｉｎ　２００７　ｂｙ　Ｃｈｅｎ　Ｚｅｎｇｊｉａｎ，Ｓｃｈｅｍｅｒ　Ｂ．Ｅ　ａｎｄ　Ｄｅｎｉｓｅ．Ｅ，Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｎｇ　ｈｔｅ　ｓｉｓｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｆｏ　ｉｎｔｅｍａ－　ｔｉｏｎａｌ　ｃｏｔｔｏｎ　ｇｅｎｏｍｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ；Ｒｅａｃｈ　ａ　ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ　ｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｇｅｎｏｍｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｓｐｅｃｔｓ．Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｃｏｔｔｏｎ　ｇｅｒｍｐｌａｓｍ　ｒｅｓｅａｌ＇ｃｈ　ａｎｄ　ｂｒｅｅｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ；Ｃｏｔｔｏｎ；Ｇｅｎｏｍｅ；Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ；Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ　《江西棉花》欢迎投稿，欢迎订阅！　・　５　・