7月10日，Advanced Science在线发表了华中农业大学棉花遗传改良团队题为“Dissecting the Superior Drivers for the Simultaneous Improvement of Fiber Quality and Yield under Drought Stress Via Genome-Wide Artificial Introgressions of Gossypium barbadense into Gossypium hirsutum”的研究论文。研究基于陆地棉栽培种鄂棉22（E22，产量高）为背景的海岛棉3-79（纤维品质优）的种间染色体置换系（CSSLs）群体，利用多种定位方法鉴定到多个干旱下棉花产量和纤维品质协同的QTL，并解析了棉花抗旱关键基因DRR1和DRT1的生物学功能。
随着全球淡水资源短缺和极端天气事件的增多，干旱胁迫已成为导致全球棉花产量和纤维品质下降的主要因素。陆地棉和海岛棉作为最重要的四倍体栽培棉种，具有不同的优异性状。陆地棉产量高，而海岛棉纤维品质优异，但产量相对陆地棉较低，且两个棉种在干旱胁迫下仍然保持其优良特性。由于连锁累赘的因素，实现棉花纤维品质、产量和抗性的协同改良十分困难，通过染色体片段交换、打破连锁累赘、融合两者优势性状，可以实现棉花抗性、产量和品质的协同改良。
作者以陆地棉E22为轮回亲本，海岛棉3-79为供体亲本构建了包含319份材料的CSSLs群体。采用花铃期断水处理的干旱胁迫方式，在全生育期共采集了包括农艺性状、产量及纤维品质在内的14个性状。利用最佳线性无偏预测（BLUP）整合多个环境的数据，并采用4个产量性状、4个品质性状的抗旱系数（DRC）和抗旱隶属函数值（MFVD）评价各材料的抗旱性，筛选出M149等9个棉花抗旱品系。进一步通过GWAS分析、连锁分析和BSA策略，共鉴定到121个显著的QTL，其中39个QTLs至少在两种定位策略中同时鉴定；6个QTL在三种策略共同鉴定（图1）。
图1 基于GWAS、连锁分析和BSA的QTL共定位。
进一步结合亲本特点，基于共定位的结果和抗旱SNP的来源，筛选出14个QTL进行抗旱单倍型分析，其中13个抗旱单倍型（DRC纤维品质）来源于3-79，1个（DRC衣分）来源于E22。利用14个SNP对CSSLs群体进行抗旱单倍型聚合效应分析，发现聚合抗旱单倍型越多的品系，其抗旱隶属函数值（MFVD）越高，干旱胁迫处理对其产量和品质的影响越小，表明优质纤维3-79基因型的渗入有效打破了连锁累赘的影响，实现棉花抗性、产量、品质的协同改良（图2）。
图2 基于渗入位点的聚合分析评估CSSLs的抗旱性。
作者进一步利用CRISPR/Cas9和VIGS技术验证了上述共定位区间候选基因DRR1和DRT1的生物学功能。结果表明，敲除DRR1或DRT1基因后，植株对干旱胁迫更加敏感。利用VIGS技术在抗旱材料M307（hap3-79）和敏旱材料M048（hapE22）中均沉默DRR1或DRT1，结果证明单倍型hap3-79相比hapE22表现出更强的抗旱性（图3）。
图3 抗旱基因DRR1的定位及功能分析
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良团队、湖北洪山实验室杨细燕教授为论文通讯作者，韩贝博士（已毕业，现就职于中国农业科学院油料作物研究所）为论文第一作者，团队张献龙院士共同设计并指导研究，林忠旭教授创建并提供导入系群体；该群体在新疆石河子和阿拉尔开展了多年多点的田间试验，新疆农垦科学院余渝研究员和塔里木大学王彦芹教授对群体材料的种植和表型采集提供了帮助。该研究受农业部专项资金（生物育种）、国家自然科学基金和新疆兵团科技发展专项资金的资助。
