近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所聯(lián)合多家單位利用多組學(xué)數(shù)據(jù)首次系統(tǒng)解析棉花胚珠發(fā)育早期代謝網(wǎng)絡(luò)與調(diào)控基因的動(dòng)態(tài)互作機(jī)制，揭示了MYB基因在陸地棉馴化過程中的調(diào)控樞紐作用，并構(gòu)建了高質(zhì)量棉籽和棉纖維代謝物數(shù)據(jù)庫，為棉花分子設(shè)計(jì)育種與下游加工產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供“理論+數(shù)據(jù)”雙支撐。相關(guān)研究成果發(fā)表在遺傳學(xué)期刊《自然·遺傳學(xué)（Nature Genetics）》上。
作為全球最重要的纖維作物，棉花纖維品質(zhì)、產(chǎn)量形成機(jī)制及棉籽加工價(jià)值挖掘長期是科研界與產(chǎn)業(yè)界的雙重攻關(guān)重點(diǎn)。理解早期胚胎發(fā)育的復(fù)雜過程對(duì)于揭示植物細(xì)胞分化和器官形成機(jī)制意義重大。在棉花的胚珠和纖維發(fā)育的早期階段，基因的整體表達(dá)活性顯著增強(qiáng)，這一過程對(duì)纖維細(xì)胞的啟動(dòng)和伸長、棉籽營養(yǎng)成分的積累等重要生物過程至關(guān)重要。
該研究采用大樣本多維度組學(xué)分析策略，對(duì)403份陸地棉種質(zhì)資源花后5天的胚珠（棉纖維和棉籽發(fā)育關(guān)鍵階段）進(jìn)行深度測序與整合分析，成功鑒定出2960個(gè)代謝數(shù)量性狀位點(diǎn)（mQTL）和24485個(gè)表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)（eQTL），構(gòu)建了目前棉花領(lǐng)域最全面的“變異組-轉(zhuǎn)錄組-代謝組-表型組”數(shù)據(jù)庫。基于海量代謝組數(shù)據(jù)，該研究系統(tǒng)收錄棉籽發(fā)育早期關(guān)鍵代謝物信息，結(jié)合成熟種子的營養(yǎng)評(píng)價(jià)，可形成直接服務(wù)于加工產(chǎn)業(yè)的棉籽代謝物數(shù)據(jù)庫，為解析棉籽油脂、蛋白及功能活性成分的合成機(jī)制提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)參考。該研究還發(fā)現(xiàn)A07染色體上的關(guān)鍵調(diào)控位點(diǎn)ME_A07，與252種已知代謝物與4293個(gè)基因的表達(dá)存在顯著關(guān)聯(lián)，暗示其潛在的調(diào)控規(guī)模與廣度。大規(guī)模種質(zhì)資源群體分析還表明，ME_A07位點(diǎn)在陸地棉馴化過程中扮演重要作用，可能是棉纖維從“有色（棕）不可利用”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;無色（白）可利用”的關(guān)鍵開關(guān)。進(jìn)一步研究證實(shí)，MYB家族基因GhTT2_A07是該位點(diǎn)的關(guān)鍵基因，該基因可能受其上游一個(gè)520 Kb的倒位精準(zhǔn)調(diào)控?；蚬δ苎芯勘砻?，GhTT2_A07可通過跨代謝通路調(diào)控，同時(shí)參與初級(jí)與次級(jí)代謝物合成，既直接影響纖維長度、衣分等農(nóng)藝性狀，又關(guān)聯(lián)棉籽中脂肪酸組成等加工關(guān)鍵指標(biāo)；另一個(gè)GhTT2_A07的同源基因GhPAR（A06染色體），則聚焦調(diào)控原花青素含量，可能同時(shí)與品種生態(tài)適應(yīng)性和棉籽抗?fàn)I養(yǎng)因子含量相關(guān)。兩個(gè)同源基因的“功能冗余保障+時(shí)空表達(dá)特異性”，共同協(xié)調(diào)棉纖維發(fā)育與棉籽代謝協(xié)同調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花“纖維-棉籽”雙器官性狀的定向調(diào)控。研究成果不僅從理論上揭示了同源基因的功能分化在棉花重要性狀形成過程，同時(shí)通過棉籽代謝物數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與應(yīng)用，為定向改良棉籽加工品質(zhì)提供了明確基因靶點(diǎn)，為棉籽高值化資源利用提供理論和數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)棉花產(chǎn)業(yè)從育種到加工的全鏈條精準(zhǔn)升級(jí)。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新疆科技重大專項(xiàng)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年創(chuàng)新計(jì)劃、河南省自然科學(xué)基金及中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
