科技前沿:“贵族”棉花和“平民”棉花的遗传基础搞清了

http://www.texnet.com.cn/ 2019-04-24 09:21:09 来源:科技日报

  棉花是世界最大的纤维作物,目前被人类驯化的四倍体棉花有陆地棉和海岛棉。陆地棉产量高、适应性广,占世界棉花总产量90%以上;长、强、细,光滑有色泽的海岛棉则是国际奢侈品的主要纺织材料,仅能在我国新疆和其他国家等少数干旱地区种植,产量较低且价格昂贵。

  综合二者优势,培育出既高产、适应性广同时纤维品质更优良的棉花品种,是学界的研究热点。近日,浙江大学农业与生物技术学院张天真教授率领团队发现了陆地棉与海岛棉的起源和种间分化的遗传机制,揭示了陆地棉广适性、长绒海岛棉纤维优质的遗传基础,将推动新棉花品种的问世。相关成果近期发表于《自然遗传学》。

  十天时间产生“质”的差异

  “陆地棉和海岛棉有明显的基因组分化,两者是同一起源、独立驯化的。独立的驯化过程,导致了二者在植株形态、产量、纤维品质、环境适应性等方面的差异。”论文第一作者之一胡艳副教授向科技日报记者介绍,团队通过鉴定大量海陆棉基因组序列变异,为阐明海陆棉差异的分子机制奠定了基础。

  在我国,被用于顶尖纺织衣物关键材料的海岛棉,产量不到棉花总产的5%,其他多为陆地棉,棉花生产总体面临着类型单一、纤维长度短、纤维强度较低等问题。解析造成二者差异的遗传基础,是整合海陆棉优异性状的前提,也是我国棉花育种的重要目标。

  “基因组测序是棉花科学研究与育种研究的重要基础。”张天真表示,利用国际顶级的基因组组装技术并结合高密度遗传图谱、光学图谱等多种辅助组装技术,团队更新了陆地棉遗传标准系TM-1的参考基因组并获得了我国自育的海岛棉品种Hai7124染色体水平的参考基因组,两种棉花基因组的清晰度与完整性前所未有。

  通过对海陆棉基因组的比较分析,团队发现,特异基因表达、扩增和染色体结构变异是海陆驯化后形成差异的主要原因。胡艳告诉记者,尤其在特异基因表达层面,相较于陆地棉,海岛棉中发现与纤维发育有关的基因扩增且表达时间更长。

  “具体是参与糖合成、碳水化合物代谢通路等的基因在海岛棉纤维发育过程中表达持续时间更长。”胡艳补充道,相比陆地棉,蔗糖转运、离子转运、液泡转化酶等与液泡中渗透物质调节相关的基因在海岛棉纤维发育中表达时间显著延长,增强了棉花纤维细胞中液泡的膨压,从而促进棉花纤维的生长。

  根据对TM-1(陆地棉)和Hai7124(海岛棉)胚珠上纤维在不同发育时期动态变化的观察,团队发现陆地棉纤维伸长一般为10天,海岛棉持续15天左右,由于特异基因的表达差异,二者在纤维品质上的差别就此拉开。

  基因遴选开展新品种培育

  对外界环境的不同要求,也是陆地棉与海岛棉的区别之一。在纤维品质方面,陆地棉虽不及海岛棉,但凭其对环境的适应能力也能扳回一局。

  已有科研人员发现,陆地棉对不同环境具有广泛的适应性。胡艳表示,基于这一研究,团队通过对基因表达谱的分析,也发现了能使陆地棉“不惧冷热”的基因。

  分析结果显示,相比海岛棉,陆地棉中有更多的参与乙烯信号、ABA信号调控的基因被激活,调控对冷、热等逆境响应,这或与陆地棉的广适性密切相关。胡艳表示,这些发现为探寻陆地棉和海岛棉基因组的进化、驯化历史,以及棉花遗传改良奠定了基础。

  “就海岛棉和陆地棉优良性状的整合,科学家们已进行过杂交尝试,但杂交后代性状分离特别严重。”胡艳也向记者透露,通过此次测序分析,团队为综合二者优点找到了很多候选基因,准备采用基因编辑的方式改良棉花纤维的品质以及抗逆性。

  同样得益于本次研究中清晰完整的基因组分析,目前该团队对海岛棉与陆地棉各有所长的基因表达越发明确,也有望以转基因的方式培育出新品种。

  “此次研究从基因组层面找到海岛棉与陆地棉的差异,对未来培育具有高产、纤维优良、适应性强的棉花新品种提供了有力的理论支持。”谈及新品种的问世,张天真表示,目前团队已开展棉花新品种的培育,对相关的优良基因也在不断挖掘。

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