棉属野生种瑟伯氏棉耐冷基因的挖掘和进化分析

Chilling stress is one of major abiotic stress factors limiting global cotton production. Human selection of cultivated cotton varieties has narrowed their genetic background. Wild species of Gossypium under natural selection have abundant genetic diversity and many excellent characters. G. thurberi has strong tolerance to low temperature and can survive at -6℃. The main aim of this project is to dissect the genetic basis of chilling-tolerance in D-genome wild cotton species. Transcriptomics analyses, combined with genomic sequences of cotton as well as the elucidated aboitic response and regulation pathways in model plants, were used to identify the candidate genes associated with chilling-tolerance. Furthermore, comparative transcriptomics analyses were utilized to investigate the genetic diversity, molecular evolution and expression patterns of interspecific orthologous genes related with abiotic stress under natural selection. And thus these may be provide theoretical basis for improving abiotic stress tolerance in cultivated cotton by exploiting the genetic resources of wild cotton.

低温是限制棉花生产的重要非生物胁迫因素之一。栽培棉种经过长期的定向选择，现有品种的遗传背景相对狭窄，而经历自然选择的野生棉种具有多种优异特性和较高的抗逆潜能。据前人研究发现棉属D基因组瑟伯氏棉，具有较高的耐冷性，可以在-6℃环境中存活。本研究通过对瑟伯氏棉、克劳茨基棉、雷蒙德氏棉、三裂棉和拟似棉5个D基因组野生种的耐冷性进行鉴定和评价及转录组测序，参考雷蒙德氏棉的全基因组序列，分析瑟伯氏棉在冷胁迫下显著差异表达的基因，结合模式植物中相对明确的冷胁迫应答反应途径中节点基因，筛选候选耐冷基因并进行功能验证。同时，通过比较转录组的分析方法筛选5个D基因组的种间直系同源基因，对耐冷相关基因的表达变异与分子进化进行分析，初步揭示耐冷等抗逆基因的物种进化表达模式,为棉花野生种质资源在棉花抗逆遗传改良中的应用提供理论依据。

我国棉花主产区已转移至新疆地区，因其特殊的地理条件和气候环境，低温已经成为限制新疆棉花生产的重要非生物影响因素之一。本项目通过对棉属野生种瑟伯氏棉的三叶期幼苗进行耐冷性鉴定，发现瑟伯氏棉具有较强的耐冷性。与陆地棉对照材料相比，瑟伯氏棉具有较低水平的丙二醛，较高的SOD和POD酶活性以及较高含量的脯氨酸和可溶性糖积累。采用RNA-seq技术获得冷胁迫瑟伯氏棉、克劳茨基棉、雷蒙德氏棉和三裂棉共四个D基因组野生种的转录组数据，构建了瑟伯氏棉冷胁迫应答的分子调控网络，筛选到一批耐冷候选基因；通过VIGS技术对G耐冷候选基因GthCBF4和GthICE2进行初步功能验证，发现两个基因在瑟伯氏棉冷胁迫应答反应中发挥了重要作用；通过比较转录组分析，本研究阐述了不同棉种在进化过程中相关基因序列和基因表达的变异，初步揭示耐冷等抗逆基因的物种进化模式；同时利用加权共表达网络分析(WGCNA)方法构建四个野生棉种在冷胁迫和盐胁迫下的基因共表达模式，发现了33个与棉种基因组特异性和抗逆性高度相关的模块。其中Skyblue3模块中的基因表达与四个棉种的耐冷性和耐盐性显著负相关，并在该模块中鉴定出了一个Hub基因（RALF-like）及与其高度关联的基因。综合上述结果，本研究解析了瑟伯氏棉冷胁迫应答的分子机理，挖掘了重要的耐冷候选基因，为棉花野生种质资源的优异性状在栽培棉花遗传改良中的应用奠定了理论基础。