華中農大接連在Nature系列發表3篇重要論文丨BioArt聚焦

BioArt按：依託作物遺傳改良國家重點實驗室，華中農業大學在作物遺傳育種領域在國內長期保持著領先水平，接連取得重大成果。近日，該國家重點實驗室成員連續在Nature系列刊物上發表三篇代表性的成果，又一次集體展示華中農大在相關領域的一流水平。3月3日，熊立仲教授課題組在Nature Communications雜誌上揭示了水稻微小反向重複轉座元件的新功能，拓展了了我們對於轉座子的認識（詳見此前BioArt的報道：熊立仲組發現水稻轉座子新功能）；3月3日，王石平教授課題組在Nature Plants以封面文論的形式報道了該團隊分離克隆了在全世界水稻生產中廣泛應用的主效抗白葉枯病基因Xa4，揭示Xa4基因除調控對白葉枯病菌小種特異性的持久抗性外，還調控莖稈強度和株高等重要農藝性狀。Nature Plants同時以新聞和點評（News& Views）形式配發兩位瑞士科學家撰寫的「Resistance: Double gain with one gene」的新聞點評；3月6日，張獻龍教授課題組在Nature Genetics雜誌上首次提出了棉花纖維馴化的遺傳學基礎，而且闡述了馴化對基因轉錄調控的影響。

BioArt根據華中農大官網的相關報道將有關內容整理如下：

第一篇：

據南湖新聞網報道（摘錄）：1999年，該校的棉花分子生物學研究幾乎是零基礎；短短4年之後，第一篇SCI收錄的研究論文誕生，雖然影響因子不足1，但這標誌著棉花研究向前邁進了一大步。瞄準前沿，2006年，棉花團隊啟動非生物逆境抗性研究，2008年，團隊啟動生物信息和棉花抗蟲生物學研究。2008年前後，團隊瞄準國際科研製高點，掌握了成熟的棉花細胞工程技術體系，創造了多項「國際第一」。2012年，團隊在Plant Physiology上發表文章，標誌著其在棉花基礎研究水平向前邁進了一大步。兩年後，團隊在Nature Communications上發表文章，標誌著其在棉花基礎研究已達到國際水平。棉花團隊堅持「將論文寫在大地上」，培育出「華雜棉1號」「華雜棉2號」「華惠103」「華雜棉4號」「華棉3109」和「華雜棉H318」等6個優質、高產、多抗棉花新品種並大面積應用於生產，獲得授權發明專利17項。特別值得稱道的是「華雜棉H318」在國家組織的區試中具有高產、優質、多抗、適應性廣等突出特點，在當年審定的多個品種中綜合指數居第一位。這個成果獲得國家科技進步二等獎。2017年3月7日，Nature Genetics在線發表了棉花團隊重要成果。經過20年的奮鬥，棉花團隊走過了一個快速發展的歷程，華農的棉花科研如同健壯的棉株一樣快速成長，並結出一個個碩果。

棉花團隊合影。來源：南湖新聞網

3月7日，Nature Genetics在線發表了我校張獻龍教授領導的棉花團隊的最新研究成果:「棉花馴化過程中的不對稱亞基因組選擇和順式調控分歧」(Asymmetric subgenome selection and cis-regulatory divergence during cotton domestication)。這項研究不僅首次提出了棉花纖維馴化的遺傳學基礎，而且闡述了馴化對基因轉錄調控的影響。該研究是棉花基因組研究領域的又一重大進展，在棉花功能基因組研究和遺傳改良工作中具有重要指導作用。張獻龍教授和英國杜倫大學Keith Lindsey教授為本文共同通訊作者，我校博士生王茂軍為第一作者。

論文第一作者王茂軍博士。圖片來源：南湖新聞網

棉花纖維是重要的天然紡織纖維，在國民經濟中佔據著重要地位。生產上主要棉花栽培種為異源四倍體陸地棉，其生態適應性廣，纖維產量佔據每年棉花總產量95%以上。從古至今，陸地棉馴化和栽培已有5000年以上。棉花野生種含有大量遺傳變異，而長期的人工馴化選擇了一些優異的變異，使陸地棉的主要農藝性狀發生了顯著改變。但是，科學界很少有研究剖析這些性狀改變的遺傳學基礎。

張獻龍教授在棉花田。來源：南湖新聞網

的陸地棉栽培始於20世紀初，主要從美國引種。的陸地棉遺傳資源狹窄，同質性較高，使得遺傳育種工作遇到了瓶頸。為了揭示人工馴化對基因組的影響，研究者從全世界主要棉區收集了31份陸地棉野生種和321份馴化種進行基因組重測序研究。利用這些數據，研究者構建了陸地棉的首個綜合變異圖譜，包括單鹼基多態性（SNP），插入/缺失（InDel）和結構變異（SV）。通過將野生種與馴化種進行比較，這項研究在全基因組範圍內鑒定了93個馴化選擇區間。這些區間包含大量功能基因，與陸地棉的一些主要農藝性狀的形成有關，例如株高，抗病性和纖維品質等。在今後，通過分子育種手段對這些區間進行整合，可以將野生種質用於改良棉花主要農藝性狀。

張獻龍教授參加國際會議並回答現場提問。來源：南湖新聞網

長期的馴化過程顯著改變了陸地棉的纖維產量和品質。馴化種產量比野生種高，同時纖維品質比野生種好。馴化種能產生白色纖維，野生種纖維略帶棕黃色。為了分析控制這些性狀改變的遺傳學基礎，該項研究首先利用267份材料對纖維品質相關性狀進行全基因組關聯分析，一共鑒定了19個顯著位點，其中有4個位點位於馴化選擇區間中。該研究進一步從陸地棉A亞基因組鑒定了一些受到馴化選擇的基因，與纖維的長度相關；在D亞基因組鑒定了一些與逆境響應相關基因，這些基因在馴化種中下調錶達，可能促進纖維的伸長。另外，研究發現D亞基因組的類黃酮代謝關鍵基因受到馴化選擇，在馴化種中下調錶達，可能與白色纖維的發育相關。在了解這些控制纖維品質性狀的重要基因位點之後，研究者可以進一步對棉花纖維品質進行遺傳改良。

對作物的人工馴化常常會改變大量基因的表達水平。為了分析基因差異性表達的原因，研究者巧妙地將DNA酶I酶切測序和三維基因組技術結合起來，鑒定了大量啟動子上的順式調控元件和遠距離作用的增強子元件。這些轉錄調控元件受到了強烈的馴化選擇，與基因的差異表達相關。這項研究是首次在植物中對非編碼區的調控變異進行分析，為在其他物種中挖掘功能變異提供了重要參考。

第二篇：

病害是影響農作物生產的重要因素之一，白葉枯病是水稻生產中最常見的細菌性病害。利用主效抗病基因改良水稻品種一直是水稻生產中最重要的抗病策略。但是因為病原菌的變異，有些主效抗病基因的抗性容易喪失，利用具有持久抗性的抗病基因改良農作物一直是育種家的育種目標之一。在已經被利用的主效抗白葉枯病基因中，Xa4基因是應用範圍最廣、時間最長的一個。Xa4在很多國家種植的水稻中表現出持久的全生育期抗性，所以早在上世紀70年代便被引入商業化的水稻品種。攜帶Xa4基因的水稻品種在亞洲、非洲和南美洲的至少50多個國家種植，雜交稻也多帶有該基因。

我校水稻團隊王石平課題組早在2003年就精細定位了Xa4基因，為通過分子標記輔助選擇的方法利用Xa4基因奠定了基礎。最新研究發現，Xa4基因編碼細胞壁相關激酶（cell wall–associated kinase），可以促進纖維素的合成，抑制細胞壁鬆弛，從而增加細胞壁強度。Xa4基因的這種功能使水稻抗白葉枯病菌入侵，同時還增強了莖稈的機械強度，植株高度有所降低，有利於抗倒伏，不降低產量。

植物的細胞壁是抵抗病原菌侵害的第一道屏障，是被稱之為「基礎抗性」的一部分，廣泛存在於植物中。雖然「基礎抗性」通常抗病能力弱，但其抗性不容易喪失。而該研究揭示Xa4基因調控的抗病反應與細胞壁的強度提高有關，且抗性強，從而解釋了為什麼該基因具有持久抗性。另外，Xa4基因可以同時增加莖稈強度、降低株高，改良了多種農藝性狀，也可以解釋為什麼該基因被廣泛長期地用於全球水稻改良。

3月3日，Nature Plants以封面故事的形式發表了我校生科院/作物遺傳改良國家重點實驗室水稻團隊關於水稻抗白葉枯病主效基因Xa4克隆和機理研究的最新進展。文章標題為「Improvement of multiple agronomic traitsby a disease resistance gene via cell wall reinforcement」。該團隊分離克隆了在全世界水稻生產中廣泛應用的主效抗白葉枯病基因Xa4，揭示Xa4基因除調控對白葉枯病菌小種特異性的持久抗性外，還調控莖稈強度和株高等重要農藝性狀。NaturePlants同時以新聞和點評（News& Views）形式配發兩位瑞士科學家撰寫的「Resistance: Double gain with one gene」的新聞點評。

該研究的第一作者是生科院已畢業博士研究所胡珂鳴，通訊作者是王石平教授。該研究受到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和863項目的資助。

說明：上述報道來源於《南湖新聞網》，BioArt轉載時略有調整。

附BioArt此前有關華農的報道：

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