中国农科院基因组研究所武志强研究团队揭示：棉属质体基因遗传多样性和群体结构关系

棉花是世界上最重要的经济作物之一，能提供天然可再生纤维，还是蛋白质和食用油的重要来源。作为植物进行光合作用的场所，质体是绿色植物重要的细胞器，对其遗传物质的研究也是生命科学领域的重点和热点之一。质体基因组由于伴母系遗传的特点，广泛应用于各种系统发育和进化基因组学的研究。目前已存在大量的核基因组来阐明棉花的起源进化，但是在质体基因组群体水平上的研究却有待探索。

近日， Journal of Systematics and Evolution （ JSE ） 在线发表了 中国农科院基因 组研究所武志强研究团队题为 “Genetic diversity and evolution of the plastome in allotetraploid cotton ( Gossypium spp.) ” 的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jse13070) 。 该研究以棉花属为研究对象，利用群体水平上的质体基因数据构建可靠的棉属质体基因组变异图谱，解析棉属质体多样性和群体结构关系，挖掘质体基因组的变异信息和潜在的分子标记位点。

研究人员基于棉属二代重测序数据，从头组装了 336 份棉属种质资源的质体基因组（主要为驯化栽培品种）。棉属质体基因组均展示为一个典型的环状四分体结构，长度为 160,103 bp-160,597 bp ， GC 含量为 37.17%-37.31% ，共编码 112 个独特基因，包括 78 个蛋白编码基 因 (PCGs) 、 3 0 个 tRNA 和 4 个 rRNA ，十分保守。

基于质体基因组群体结构分析，研究人员解析了棉属种质的进化关系。异源多倍体主要分为 4 个进化分支： 毛棉 ( G. tomentosum , AD3) + 黄褐棉 ( G. mustelinum , AD4) ，海岛棉 ( G. barbadense , AD2) + 达尔文氏棉 ( G. darwinii , AD5) ，野生陆地棉 ( G. hirsutum , AD1_W) + 艾克曼棉 ( G. ekmanianum , AD6) + 斯蒂芬氏棉 ( G. stephensii , AD7) 和地方品种 + 栽培品种陆地棉 ( G. hirsutum , AD1) 。二倍体 A 基因组类群的草棉 ( G. herbaceum , A1) 和亚洲棉 ( G. arboretum , A2) 是多系分离的。异源多倍体分支中，陆地棉野生品种、地方品种和栽培品种的多系分化程度低于海岛棉。陆地棉质体基因组遗传多样性远高于其余异源多倍体，并且 ，陆地棉与其他异源多倍体之间的 F _ST 值远低于其他异源多倍体之间 F _ST 值。

研究人员依据可靠的棉属质体基因组的变异图谱，重点解析了陆地棉和海岛棉的变异差异。棉属质体基因组变异类型中占比最高的是单核苷酸变异，主要分布在非编码区，导致其进化速率高于编码区。陆地棉整体上的变异数量高于海岛棉，同时研究人员还挖掘了陆地棉和海岛棉质体基因组的完全分化位点，如 psbE-petL 中存在一个独有的 60 bp 的倒位现象，这些位点均可作为陆地棉和海岛棉物种鉴定的分子标记位点。