棉花是世界最大的纖維作物，目前被人類馴化的四倍體棉花有陸地棉和海島棉。陸地棉產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣，占世界棉花總產(chǎn)量90%以上；長(zhǎng)、強(qiáng)、細(xì)，光滑有色澤的海島棉則是國(guó)際奢侈品的主要紡織材料，僅能在我國(guó)新疆和其他國(guó)家等少數(shù)干旱地區(qū)種植，產(chǎn)量較低且價(jià)格昂貴。
綜合二者優(yōu)勢(shì)，培育出既高產(chǎn)、適應(yīng)性廣同時(shí)纖維品質(zhì)更優(yōu)良的棉花品種，是學(xué)界的研究熱點(diǎn)。近日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院張?zhí)煺娼淌诼暑I(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了陸地棉與海島棉的起源和種間分化的遺傳機(jī)制，揭示了陸地棉廣適性、長(zhǎng)絨海島棉纖維優(yōu)質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)，將推動(dòng)新棉花品種的問(wèn)世。相關(guān)成果近期發(fā)表于《自然遺傳學(xué)》。
十天時(shí)間產(chǎn)生“質(zhì)”的差異
“陸地棉和海島棉有明顯的基因組分化，兩者是同一起源、獨(dú)立馴化的。獨(dú)立的馴化過(guò)程，導(dǎo)致了二者在植株形態(tài)、產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性等方面的差異。”論文第一作者之一胡艷副教授向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，團(tuán)隊(duì)通過(guò)鑒定大量海陸棉基因組序列變異，為闡明海陸棉差異的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
在我國(guó)，被用于頂尖紡織衣物關(guān)鍵材料的海島棉，產(chǎn)量不到棉花總產(chǎn)的5%，其他多為陸地棉，棉花生產(chǎn)總體面臨著類型單一、纖維長(zhǎng)度短、纖維強(qiáng)度較低等問(wèn)題。解析造成二者差異的遺傳基礎(chǔ)，是整合海陸棉優(yōu)異性狀的前提，也是我國(guó)棉花育種的重要目標(biāo)。
“基因組測(cè)序是棉花科學(xué)研究與育種研究的重要基礎(chǔ)。”張?zhí)煺姹硎?，利用?guó)際頂級(jí)的基因組組裝技術(shù)并結(jié)合高密度遺傳圖譜、光學(xué)圖譜等多種輔助組裝技術(shù)，團(tuán)隊(duì)更新了陸地棉遺傳標(biāo)準(zhǔn)系TM-1的參考基因組并獲得了我國(guó)自育的海島棉品種Hai7124染色體水平的參考基因組，兩種棉花基因組的清晰度與完整性前所未有。
通過(guò)對(duì)海陸棉基因組的比較分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，特異基因表達(dá)、擴(kuò)增和染色體結(jié)構(gòu)變異是海陸馴化后形成差異的主要原因。胡艷告訴記者，尤其在特異基因表達(dá)層面，相較于陸地棉，海島棉中發(fā)現(xiàn)與纖維發(fā)育有關(guān)的基因擴(kuò)增且表達(dá)時(shí)間更長(zhǎng)。
“具體是參與糖合成、碳水化合物代謝通路等的基因在海島棉纖維發(fā)育過(guò)程中表達(dá)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。”胡艷補(bǔ)充道，相比陸地棉，蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)、離子轉(zhuǎn)運(yùn)、液泡轉(zhuǎn)化酶等與液泡中滲透物質(zhì)調(diào)節(jié)相關(guān)的基因在海島棉纖維發(fā)育中表達(dá)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，增強(qiáng)了棉花纖維細(xì)胞中液泡的膨壓，從而促進(jìn)棉花纖維的生長(zhǎng)。
根據(jù)對(duì)TM-1（陸地棉）和Hai7124（海島棉）胚珠上纖維在不同發(fā)育時(shí)期動(dòng)態(tài)變化的觀察，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)陸地棉纖維伸長(zhǎng)一般為10天，海島棉持續(xù)15天左右，由于特異基因的表達(dá)差異，二者在纖維品質(zhì)上的差別就此拉開。
基因遴選開展新品種培育
對(duì)外界環(huán)境的不同要求，也是陸地棉與海島棉的區(qū)別之一。在纖維品質(zhì)方面，陸地棉雖不及海島棉，但憑其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也能扳回一局。
已有科研人員發(fā)現(xiàn)，陸地棉對(duì)不同環(huán)境具有廣泛的適應(yīng)性。胡艷表示，基于這一研究，團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)基因表達(dá)譜的分析，也發(fā)現(xiàn)了能使陸地棉“不懼冷熱”的基因。
分析結(jié)果顯示，相比海島棉，陸地棉中有更多的參與乙烯信號(hào)、ABA信號(hào)調(diào)控的基因被激活，調(diào)控對(duì)冷、熱等逆境響應(yīng)，這或與陸地棉的廣適性密切相關(guān)。胡艷表示，這些發(fā)現(xiàn)為探尋陸地棉和海島棉基因組的進(jìn)化、馴化歷史，以及棉花遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。
“就海島棉和陸地棉優(yōu)良性狀的整合，科學(xué)家們已進(jìn)行過(guò)雜交嘗試，但雜交后代性狀分離特別嚴(yán)重。”胡艷也向記者透露，通過(guò)此次測(cè)序分析，團(tuán)隊(duì)為綜合二者優(yōu)點(diǎn)找到了很多候選基因，準(zhǔn)備采用基因編輯的方式改良棉花纖維的品質(zhì)以及抗逆性。
同樣得益于本次研究中清晰完整的基因組分析，目前該團(tuán)隊(duì)對(duì)海島棉與陸地棉各有所長(zhǎng)的基因表達(dá)越發(fā)明確，也有望以轉(zhuǎn)基因的方式培育出新品種。
“此次研究從基因組層面找到海島棉與陸地棉的差異，對(duì)未來(lái)培育具有高產(chǎn)、纖維優(yōu)良、適應(yīng)性強(qiáng)的棉花新品種提供了有力的理論支持。”談及新品種的問(wèn)世，張?zhí)煺姹硎荆壳皥F(tuán)隊(duì)已開展棉花新品種的培育，對(duì)相關(guān)的優(yōu)良基因也在不斷挖掘。
