華中農大繪製出兩個棉花四倍體栽培種的參考基因組

【MBA中國網訊】2018年12月3日，國際著名期刊Nature Genetics雜誌上在線發表了華中農業大學棉花遺傳改良團隊的基因組研究最新成果，題為Referencegenome sequences of two cultivated allotetraploid cottons, Gossypiumhirsutum and Gossypium barbadense。該論文介紹了整合多種方法組裝得到的異源四倍體栽培種陸地棉和海島棉的參考基因組序列，為棉花基因組進化和功能基因研究提供了重要參考，對基於基因組的棉花遺傳改良具有重要指導作用。

棉花共有四個栽培種，兩個二倍體栽培種生產上已不再使用，生產上主要使用的是兩個四倍體栽培種，陸地棉和海島棉。陸地棉是棉花的主要栽培種，其產量高，適應性強。海島棉的產量低，栽培區域性強，但是其纖維品質比陸地棉優。將海島棉中控制優異纖維品質的遺傳片段導入到陸地棉，改良陸地棉的纖維品質，是我校棉花遺傳改良團隊長期堅持的目標。儘管已從海島棉中克隆了一系列功能基因，但這兩個棉花基因組存在什麼樣的差異，究竟哪些基因組片段控制海島棉優異纖維品質的形成等仍不清楚。雖然兩個棉花的基因組草圖已經發表，但是由於組裝質量和完整性不高，很難直接從全基因組水平進行比較。

為了得到精細的基因組序列，該研究利用第三代測序技術（PacBioRS II），BioNano光學圖譜技術和染色質高級結構捕獲技術（Hi-C）進行聯合組裝。與以前發表的基因組草圖相比，該項研究組裝的基因組序列在連續性和完整性上有極大提高（陸地棉基因組的連續性提高了55倍，海島棉基因組提高了90倍）。

該研究成功組裝了高度重複的基因組區域，例如著絲粒。通過比較兩個棉花四倍體種的基因組，研究發現二者存在大量的結構變異。通過與二倍體棉花進行比較，發現很多結構變異來自於棉花基因組的異源多倍化事件之後。值得注意的是，該研究發現兩個棉花種的14對染色體之間存在染色體臂內和臂間的大片段倒位現象。

為了將這些基因組變異應用到棉花纖維的遺傳改良中，該研究對陸地棉和海島棉之間的遺傳導入系材料進行基因組分析，鑑定了13個控制纖維品質的遺傳位點。同時，結合纖維發育的轉錄組數據，探究了這些遺傳位點的表達調控機制。該研究對導入系材料的分析為今後通過海島棉改良陸地棉的種間漸滲育種提供了參考。

華中農業大學張獻龍教授、林忠旭教授，美國愛荷華州立大學的JoshuaA. Udall教授和英國杜倫大學的Keith Lindsey教授為本文的共同通訊作者。華中農業大學王茂軍博士、塗禮莉教授和袁道軍副教授為本文的共同第一作者。該項研究得到國家自然科學基金、國家轉基因專項、博士後創新人才支持計劃和中國科協青年人才託舉工程的資助。

2017年3月7日，Nature Genetics在線發表了我校作物遺傳改良國家重點實驗室博士生王茂軍的研究論文「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)，如此高質量的文章在棉花學界並不多見。

2018年12月3日，國際著名期刊Nature Genetics雜誌上又發表了我校棉花遺傳改良團隊的基因組研究最新成果，題為Referencegenome sequences of two cultivated allotetraploid cottons, Gossypiumhirsutum and Gossypium barbadense。

王茂軍這位長著娃娃臉的博士，從未有「座右銘」的他，談起科研的故事與經歷，從容淡定，一個個新奇的想法從他思維深處跳躍出來。

「閉關月餘煉『真經』」

時間要回到2011年7月，來自四川廣元農村的王茂軍保送到本校攻讀碩士學位，性格穩健持重的他覺得科研是自己不錯的選擇，而師從張獻龍教授，更是他的夢想與追求。

事實上，王茂軍的科研之路還可以往前追溯，得益於華中農業大學的「大學生科技創新基金（SRF）」項目，王茂軍從大二開始接觸作物遺傳育種方面的前沿科學，對生物信息學尤感興趣，以致於到2013年直博方向確定時，他毫不猶豫決定選擇了這塊熟悉而又陌生的領域。

然而，學界普遍認為生物信息學「這塊骨頭」並不好啃。王茂軍不得不「從頭再來」，新知舊識「一勺燴」，惡補不足。進入實驗室之後，王茂軍開始把大量的時間花在海島棉基因組測序上。

海島棉基因組測序項目於2011年底啟動，由袁道軍老師牽頭，王茂軍和剛進實驗室的碩士高文輝「相依為命」並肩作戰。誰知，這個項目一直持續了3年。王茂軍在最基礎的研究中獲得了大量科研靈感，也收穫了大量的一手數據。

按照當時的設想，當時的測序就是為發表Nature Genetics這類檔次文章設計的，但科研的機會稍縱即逝，正當撰寫論文時，國際傳來消息，他們的同行已經搶先發表了內容相似的文章。

不得已，他們只能收拾提煉，發表了一篇5分的文章。當時指導實驗的張獻龍教授笑言：「花100萬，做了5分的文章！」但是，他並未求全責備，只是鼓勵王茂軍科研在於厚積薄發：「這次工作至少鍛鍊了你！」。

王茂軍沒想到，這篇遲到的NG終於在2年之後的2017年3月7日發表。

回想那段時光，王茂軍覺得自己的奮鬥還是很值得，「那是最好的磨礪，成長過程中的曲折！」

讓王茂軍記憶猶新的是，2013年的冬天，當他們的研究進入攻堅階段時，張獻龍為他們專門開闢了一個小小辦公室，讓袁道軍、王茂軍和高文輝「入駐」，專門討論科研進展，設計實驗，共同解析數據。

所謂的辦公室，就是基因樓附樓的溫室，在那裡，王茂軍和他的戰友「封閉」1月有餘，晚上到12點以後、早上7點準時到場已然成為一種常態。而團隊的袁道軍也和大家一樣，上完課就奔赴溫室，馬不停蹄。王茂軍說：「這儼然一種科研修行，『修為』是慢慢練出來的。」

而張獻龍每當有空，就會過來與他們探討科研問題、詢問進展。讓王茂軍感動的是，張獻龍教授為彌補被「發配」溫室的王茂軍，在生活上特意「照顧」他——每個月給他多開500元的生活補助。

那段時間縱然辛勞，但在王茂軍看來，科研的種子已經發芽，幼苗甚至呼之欲出，他相信：「小小棉花會改變世界！」

「儘快完成！儘快完成！」

大約在2015年7月份左右，張獻龍教授敏銳地看到，棉花在長達5000多年的馴化過程中基因組水平受到強烈選擇的問題，他判斷，群體進化在國際上還屬前沿，並且有巨大的研究潛力。他果斷組織王茂軍等開展新一輪的研究，他們的目標很簡單，要攻克這些前沿問題。

而此時，王茂軍還同時在另外2個課題中從事科研工作，「白加黑、5加2」，王茂軍開始了忘我的工作和艱辛地探索。

但在王茂軍看來，這些似乎不值得述說，因為科研本來就要沉靜，沒有什麼「驚濤駭浪」。他相信導師敏銳的科研洞察力，方向既定、格局已布，自己朝著這方向努力便是。

彼時，王茂軍處於工作的亢奮和靈感迸發的高峰，唯獨讓他擔心的是自己會慢於同行。他告誡自己絕不能「重蹈覆轍」，自己的腳步只能加快，斷無停滯的理由。

於是，每天他對自己說的最多的話即是：「儘快完成！儘快完成！」每天清晨，王茂軍都感覺國際國內同行的工作在不斷推進，只有同行才是赤裸裸的競爭，他加快了腳步。

在棉花的科研王國裡暢遊幾年，王茂軍深知棉花研究的不易：基因組草圖序列質量較低、功能基因組研究困難、次生代謝物複雜……棉花研究難做，這是行內科學家們的「共識」。

然而，誠如張獻龍所說，正因為難做，做出來才有意義，有潛力和空間，長線研究才有效益。

經過長期科研「歷劫」，讓王茂軍思維大開。在所發表的文章中，他有三個「首次」值得稱道：

——首次系統地比較棉花野生種和馴化種之間的基因組差異，利用GWAS鑑定控制棉花纖維品質相關性狀的關鍵位點。

——首次通過基因組水平的比較，研究馴化過程中，多倍體棉花不同亞基因組受到的差異性選擇，並闡述其如何促進優質長纖維的發育。

——首次巧妙地將DNA酶I酶切測序和三維基因組技術結合起來，用來鑑定棉花的轉錄調控元件，分析這些元件受到的馴化選擇。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。

「我沒有座右銘」

在實驗室、在會議室、在租住的房屋，王茂軍中給人一種勤快、積極、朝氣、陽光的「娃娃臉」形象，然而他在做科研時卻是極為嚴謹和認真。

快樂的科研達人背後的故事也讓人無不動容。

2013年6月16日18:17，王茂軍的QQ日誌中出現一句話：「父親活著的時候，你覺得他是井裡的青蛙。父親離世的時候，你才知道自己的天塌了！」

有很多同學師長在那時才知道王茂軍家裡的變故，他們不知，早在2011年冬，王茂軍的父親因急性心肌梗死不幸去世。

也正是那段時間，王茂軍強忍內心的苦楚，堅持上課、做實驗、讀文獻，唯獨擔心的就是年邁的母親，一個人勉強支撐一個家。

在危難之際，張獻龍多次找他談心談話，用聊天的形式化解王茂軍心中的苦悶。張獻龍鼓勵王茂軍：「多讀書才是對父母最好的孝敬。」走出陰影的王茂軍從此開啟了一段難忘的科研經歷。

在王茂軍眼中，全然是科研的那些事、棉花的那些事。

未來，他思慮如何將已有的研究成果應用到棉花生產，直接為棉農增收；未來，他思考將已經找到的在野生棉中控制重要性狀的位點導入栽培種中，進行育種改良；未來，他躊躇滿志，將在纖維單細胞研究中進一步披荊斬棘。

談及未來，王茂軍眼中充滿了期待。他還說，如果時間和精力允許，自己想去國外做博後研究，想到國際頂尖學術科研機構去看看，擴大國際視野。他相信，國際頂尖的學術科研機構有更前沿的研究思維和設備設施。

對於已經取得的成績，他說，來自於導師的指導，來源於團隊的合作，來源於科研靈感，而自己只是做了一些總結提煉的工作。

王茂軍說：「我沒有座右銘，只是實實在在、扎紮實實做事罷了！」爽朗的笑聲迴蕩在二綜C408會議室裡，清新，如春風一般。