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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、適應性廣，占世界棉花總產(chǎn)量90%以上；長、強、細，光滑有色澤的海島棉則是國際奢侈品的主要紡織材料，僅能在我國新疆和其他國家等少數(shù)干旱地區(qū)種植，產(chǎn)量較低且價格昂貴。

綜合二者優(yōu)勢，培育出既高產(chǎn)、適應性廣同時纖維品質(zhì)更優(yōu)良的棉花品種，是學界的研究熱點。近日浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院張?zhí)煺娼淌诼暑I團隊發(fā)現(xiàn)陸地棉與海島棉的起源和種間分化的遺傳機制，揭示陸地棉廣適性、長絨海島棉纖維優(yōu)質(zhì)的遺傳基礎，將推動新棉花品種問世。相關成果近期發(fā)表于《自然遺傳學》。

十天時間產(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、獨立馴化的。獨立的馴化過程，導致二者在植株形態(tài)、產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、環(huán)境適應性等方面的差異?！闭撐牡谝蛔髡咧缓G副教授向科技日報記者介紹，團隊通過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制奠定了基礎。

在我國，被用于頂尖紡織衣物關鍵材料的海島棉，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、纖維長度短、纖維強度較低等問題。解析造成二者差異的遺傳基礎，是整合海陸棉優(yōu)異性狀的前提，也是我國棉花育種的重要目標。

“基因組測序是棉花科學研究與育種研究的重要基礎?！睆?zhí)煺姹硎荆脟H頂級的基因組組裝技術并結合高密度遺傳圖譜、光學圖譜等多種輔助組裝技術，團隊更新陸地棉遺傳標準系TM-1的參考基因組并獲得我國自育的海島棉品種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。

通過對海陸棉基因組的比較分析，團隊發(fā)現(xiàn)，特異基因表達、擴增和染色體結構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層面，相較于陸地棉，海島棉中發(fā)現(xiàn)與纖維發(fā)育有關的基因擴增且表達時間更長。

“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)育過程中表達持續(xù)時間更長。”胡艷補充道，相比陸地棉，蔗糖轉(zhuǎn)運、離子轉(zhuǎn)運、液泡轉(zhuǎn)化酶等與液泡中滲透物質(zhì)調(diào)節(jié)相關的基因在海島棉纖維發(fā)育中表達時間顯著延長，增強了棉花纖維細胞中液泡的膨壓，從而促進棉花纖維的生長。

據(jù)對TM-1(陸地棉)和Hai7124(海島棉)胚珠上纖維在不同發(fā)育時期動態(tài)變化的觀察，團隊發(fā)現(xiàn)陸地棉纖維伸長一般為10天，海島棉持續(xù)15天左右，由于特異基因的表達差異，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

對外界環(huán)境不同要求，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，但憑其對環(huán)境的適應能力也能扳回一局。

已有科研人員發(fā)現(xiàn)，陸地棉對不同環(huán)境具有廣泛的適應性。胡艷表示，基于這一研究，團隊通過對基因表達譜的分析，也發(fā)現(xiàn)了能使陸地棉“不懼冷熱”的基因。

分析結果顯示，相比海島棉，陸地棉中有更多的參與乙烯信號、ABA信號調(diào)控的基因被激活，調(diào)控對冷、熱等逆境響應，這或與陸地棉的廣適性密切相關。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化、馴化歷史，以及棉花遺傳改良奠定了基礎。

“就海島棉和陸地棉優(yōu)良性狀的整合，科學家們已進行過雜交嘗試，但雜交后代性狀分離特別嚴重?！焙G也向記者透露，通過此次測序分析，團隊為綜合二者優(yōu)點找到很多候選基因，準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，目前該團隊對海島棉與陸地棉各有所長的基因表達越發(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，對未來培育具有高產(chǎn)、纖維優(yōu)良、適應性強的棉花新品種提供有力的理論支持。”談及新品種的問世，張?zhí)煺姹硎?，目前團隊已開展棉花新品種的培育，對相關的優(yōu)良基因也在不斷挖掘。