收获季节来临时，棉花田看起来像是爆米花，实际上是在植物上生长的，蓬松的白色棉铃从各个方向的绿色豆荚中爆发出来。全球有1亿个家庭的生计依赖​​棉花生产，该作物每年在全球范围内造成的5000亿美元的经济影响突显了其在我们生活中的价值和重要性。

在美国，棉花生产集中在两个品种上：95%的棉花被称为陆地棉(陆地棉)，其余的5%被称为美洲比马(G. barbadense)。这是五个主要品种中的两个。棉花谱系;G. tomentosum，G。mustelinum和G. darwinii等。所有这些棉花谱系的基因组大小约为23亿个碱基或千兆碱基(Gb)，是由棉花A和棉花D基因组组成的杂种。

一个多机构团队，包括美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)的研究人员，以及位于劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的DOE科学用户设施办公室，现已对这五个基因组进行了测序和组装棉花谱系。2020年4月20日发表在《自然遗传学》上的论文的资深作者包括JGI植物计划的Jane Grimwood和Jeremy Schmutz，他们都是哈德森阿尔法生物技术研究所的研究人员。

JGI植物项目负责人施穆茨说：“所有新棉花工作的目标都是，甚至最初的棉花项目都是试图将分子育种方法引入棉花。”他和格里姆伍德也是JGI团队的成员，该团队为跨国研究人员联盟做出了贡献，该联盟在几年前对最简单的棉花基因组(G. raimondii)进行了测序和组装。对棉花基因组的研究为育种人员提供了在遗传水平上改良作物的见解，包括为何拥有多个基因组拷贝(多倍性)对作物如此重要的原因。此外，棉花几乎完全由纤维素组成，它是了解纤维素分子发展的纤维模型。

植物基因组上的棉花基因组

所有五个棉花谱系和棉花D的基因组都可以在JGI的植物数据门户网站Phytozome上进行比较分析，该门户网站是植物基因组的一个社区资料库和资源。它们使用JGI植物注释管道进行注释，该管道提供了这些基因组内部和其他植物基因组的高质量比较。

“在全球范围内，棉花是世界上主要的天然纤维作物，是主要的油料作物，也是重要的牛饲料作物，”德克萨斯农工大学的另一篇研究论文的合著者戴维·斯特利说。“这份报告为直接和间接地与遗传多样性，进化，野生种质利用以及提高我们利用自然资源为社会提供资源的功效的多种基础和应用科学学科建立了新的机遇。”

对五个棉花基因组进行的比较分析确定了与驯化的巴巴木香和陆地棉种的纤维和种子性状有关的独特基因。在其他三个野生物种中也鉴定出独特的基因。Schmutz说：“我们认为，在所有这些野生四倍体中，将有许多可以利用的抗病基因。”“但是事实证明，野生棉花并没有真正的多样性。对于一个分布如此广泛的物种，这令我感到惊讶。”

在田间，种植者可以通过花色，株高或纤维产量等特征轻松区分棉花种类。令团队惊讶的是，即使主要的棉花谱系在一百万年前就已经分散并多样化了，但它们的基因组却“非常”稳定。Schmutz回忆说：“我们认为我们已经对同一基因组进行了多次测序。”“我们有点困惑，因为它们是如此相似。”

高影响力科学的好处

“《自然遗传学》出版物中描述的结果将有助于加深对棉花生物学的了解，并在降低投入成本的同时提高产量和改善纤维含量。种植者，纺织业和消费者将在未来几年中受益于这种影响重大的科学，唐•琼斯(Don Jones)负责棉花公司的品种改良，该公司是一家由美国陆地棉种植者和棉花及棉纺织品产品进口商共同资助的陆地棉研究和销售公司，通常被称为“衫到衬衫”价值链。

琼斯补充说，组装棉花庞大而复杂的基因组意味着在选择资助哪支团队方面具有选择性。“由于项目的难度和复杂性，我们必须谨慎要求谁来承担这些项目，但是我们对杰里米，简和他们的团队感到非常满意。许多小组组装了基因组，但很少有人能很好地完成基因组工作。时间的考验，被世界棉花协会认为是金本位。这就是一个例子。”

琼斯指出，他与种植者讨论了棉花公司对作物研究的长期投资。“我告诉我们的种植者的是，'将这些参考基因组视为外科医生的知识，并将基因编辑视为一种新工具。为了确切地知道在哪里使用您极为精确的工具，您必须知道在哪里使用它，您必须更改哪些确切的基准或一系列基准。”我们为什么要投资可能在十年内不会立即为我们带来收益的东西?我们认为必须进行基础研究才能推动研究，通常这些花费时间不是五到八年，而是有时需要十到十五年年，因为技术随着时间的推移而发展。”