华中农业大学近期科学研究进展

想象一下，棉花界有一位“贵族”——海岛棉，它生产的纤维就像天然的高级丝绸，又长又强还自带光泽，是制作顶级衬衫等高端棉纺织品的秘密武器。但这位“贵族”有个大毛病：产量低得像“限量版奢侈品”，导致我国每年要花大价钱进口。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室张献龙院士团队联合国内外多家科研机构，在国际权威期刊 Nature Communications 上发表了题为“Pangenome analysis reveals yield- and fiber-related diversity and interspecific gene flow in Gossypium barbadense L.”的研究论文。该研究通过从头组装12个野生-驯化连续体的海岛棉基因组，构建了首个海岛棉高质量泛基因组，并解析了其纤维品质和产量相关性状的遗传变异及种间渐渗现象。研究成果鉴定出棉花纤维产量与品质遗传改良的关键基因位点，提供了丰富的遗传资源，为海岛棉同步提升产量与纤维品质提供了新思路。

图1 从头组装12个海岛棉基因组

团队前期已构建了海岛棉基因组草图（Yuan et al., 2015）和参考基因组（Wang et al., 2019），并解析了其变异图谱（Yuan et al., 2021）。为进一步探究海岛棉的遗传多样性并鉴定其优异纤维品质的遗传位点，本研究在前期构建的四倍体棉花系统发生树（Yuan et al., 2021）基础上，筛选出12份涵盖野生-驯化连续体的海岛棉种质资源，包括7份源自起源地附近的原始种质、2份来自加勒比海地区的农家种及3份广泛种植的栽培种。利用HiFi测序技术，研究团队完成了这12份海岛棉高质量基因组的从头组装，解密了海岛棉的“生命天书”，撰写了海岛棉的“活字典”和“百科全书”。

图2 海岛棉的泛基因组分析

研究团队对12个从头组装的和5个先前发表的海岛棉基因组开展泛基因组研究。泛基因组的尺寸大小排列组合数据显示，14个基因组就包含99%以上的基因家族，且基因家族数量增长曲线几乎趋于平稳。这表明这17个海岛棉材料不仅具有代表性，而且在总体上较为完整。

图3 海岛棉的结构变异

高质量的基因组为识别大尺寸结构变异提供遗传资源。通过比较基因组共鉴定到129,673个海岛棉的非冗余结构变异和350,995个四倍体棉花的非冗余结构变异。研究团队解析结构变异在棉花中的分布规律，发现海岛棉在加勒比海度假时曾经和陆地棉“谈恋爱”，一些来自陆地棉的“爱情信物”（基因片段）被传递给海岛棉，正是这些“跨国恋”的结晶让海岛棉获得了适应不同日照时间的神奇能力！

图4 SV-GWAS分析识别海岛棉纤维品质和产量的候选变异

该研究通过构建图形泛基因组和开展基于结构化变异的全基因组关联分析，找到了控制纤维长度的4个“长度调节器”、决定纤维强度的3个“力量开关”，还有影响产量的7个“丰收按钮”。有趣的是，大多数情况下，提高产量的按钮会降低纤维品质，就像“鱼和熊掌不可兼得”。但惊喜的是，他们发现了3个“超级位点”（FL1、FL3和FL4/FS2），可以只提升品质不影响产量！

新疆的“新海棉”和美国“皮马棉”就是成功的混搭案例。新海棉通过“基因选美”获得了最优的品质基因组合，而皮马棉则靠“基因拼图”凑齐了高产密码。现在又发现了一个未被充分利用的“潜力股基因”FL3，未来可以通过种间杂交方式将FL3的优异等位变异聚合至新海棉中，实现海岛棉纤维产量和纤维品质的同步改良，培育新一代“全能选手”。

这项研究就像为棉花育种家们提供了一本“基因烹饪书”，里面详细记载了各种“美味配方”：想要更长纤维？加点FL2基因！想要更高产量？LP1+LP2组合了解一下！更重要的是，这些发现打破了“优质必定低产”的魔咒，为培育“既好看又能打”的超级棉花指明了方向。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士生孟庆营为该论文的第一作者，袁道军副教授为通讯作者。华中农业大学棉花团队张献龙院士、金双侠教授、林忠旭教授和王茂军教授，新疆农业大学陈全家教授，新疆农业科学院棉花研究所孔杰研究员，石河子大学聂新辉教授，美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授和美国农业部作物种质资源研究中心主任Joshua A. Udall研究员等参与了该研究。

论文链接：

小麦，这个养活全球数十亿人的“金色粮仓”，正面临一个狡猾的敌人——镰刀菌。它不仅引发赤霉病（Fusarium head blight，FHB），让麦穗腐烂、小麦减产，还会分泌“呕吐毒素”（DON），污染粮食，威胁人和动物的健康。更糟的是，传统化学农药不仅让病菌产生抗药性，甚至还会刺激毒素增加，简直是雪上加霜！  

但别担心，科学家们找到了两位“微生物特工”——依枯草菌素（Iturin）和丰原素（Fengycin），它们不仅能精准打击镰刀菌，还能增强小麦免疫力，甚至调节小麦生长，堪称农业界的"全能战士"！  

近日，华中农业大学植物科学技术学院小麦团队何伟杰/黄涛博士在Journal of Integrative Plant Biology在线发表了题为“Iturin and fengycin lipopeptides inhibit pathogenic Fusarium by targeting multiple components of the cell membrane and their regulative effects in wheat”的研究论文。揭示了拮抗微生物产生的脂肽类物质依枯草菌素（Iturin）和丰原素（Fengycin）抑制病原镰刀菌生长、保护小麦抵御赤霉病、减少毒素积累以及调节植物生长发育的多重机制。

该研究通过转录组测序，结合遗传学和化学方法，分析了镰刀菌和小麦对脂肽类拮抗物质依枯草菌素和丰原素这两位“特工”的响应。结果显示，这两位“特工”能同时攻击镰刀菌的多个靶点：它们像特种兵一样，精准锁定镰刀菌细胞膜上的麦角甾醇、磷脂、糖基磷脂酰肌醇等关键结构，破坏真菌的正常生理功能（图1A，B）； 它们还能激活镰刀菌的“细胞壁完整性（CWI）”和“高渗甘油（HOG）”信号通路，让真菌误判形势——CWI通路紊乱导致细胞壁变形，HOG通路失控则让细胞疯狂吸水，最终膨胀爆裂。 与此同时，它们还能唤醒小麦的免疫系统，让小麦自身增强抗病能力，减少毒素积累，相当于给小麦打了一剂“疫苗+营养剂”（图1C）。

图1. 镰刀菌和小麦对依枯草菌素（Itu）和丰原素（Fen）的响应。

A，脂肽处理后的镰刀菌菌丝形态。B，脂肽处理镰刀菌基因缺失突变体。C，脂肽诱导小麦系统抗性。

传统化学农药容易让病菌产生抗性，但依枯草菌素和丰原素的多靶点攻击策略，让镰刀菌防不胜防，抗药性风险大大降低！这项研究不仅首次揭示了它们的精准杀菌机制，还展现了它们在调节作物健康方面的潜力（图2），为绿色农业提供了全新解决方案。

图2. 脂肽与镰刀菌及小麦之间相互作用模式图

华中农业大学植物科学技术学院已毕业博士生袁青松与杨鹏为论文共同第一作者，何伟杰博士和黄涛博士为论文共同通讯作者。实验工作得到湖北省农业科学院刘易科副研究员、华中农业大学在读博士生Karim M. Tabl和已毕业博士生郭茂伟的大力支持，华中农业大学廖玉才教授、张静柏副教授、中国科学院上海营养与健康研究所武爱波研究员对本研究给予了重要指导。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/jipb.13933