【中国科学报】基因组图谱解码棉花纤维品质改良

发表日期：2018-12-13 10:32PM 阅览次数：

▲作物遗传改良国家重点实验室里的棉花苗 刘涛摄

▲张献龙（中）在新疆考察海岛棉生长情况 金双侠摄

■通讯员刘涛本报记者李晨

“想让棉花纤维又长、又细、又强，很难。有时提高了纤维长度，产量又下来了。”华中农业大学棉花遗传改良团队负责人张献龙教授告诉《中国科学报》，通过解码棉花基因组，可以深入了解棉花种的起源进化，以及棉花纤维品质形成等重要农艺性状的遗传基础，为改良棉花品质提供科技手段。

近日，《自然—遗传学》在线发表了张献龙团队最新研究成果，他们联合海外研究团队，共同解析了异源四倍体栽培种陆地棉和海岛棉的参考基因组序列，为棉花基因组进化和功能基因研究提供了重要参考。

重要的经济作物

“棉花是唯一果实被称作花的植物，既可在春季种植，也可在麦后的夏季种植。它是上世纪八九十年代我国农民最重要的经济来源之一。”论文第一作者、华中农大棉花遗传改良团队教授涂礼莉告诉记者，以前，在江汉平原、在天山南麓，几乎家家户户都种棉花，放眼望去，整个田野几乎都是棉花的世界。

在我国的棉花栽培历史上，曾先后种植过四个栽培品种，即海岛棉、亚洲棉、陆地棉和草棉。目前我国种植的棉花多为陆地棉，在新疆还种植有少量海岛棉。

如今，棉花依旧是我国主要的大田经济作物，常年种植面积7000万亩，年产700万吨，产值1100多亿元，事关国计民生，也一直备受国际棉花研究界的关注。

虽然我国栽培陆地棉已有百余年，但育种一直是“摸着石头过河”。论文通讯作者张献龙告诉记者，目前，我国所产原棉95%来源于陆地棉，“它适应性强、产量高，但纤维长度偏短、易得黄萎病。除了陆地棉，海岛棉亦从国外引种，具有纤维长、细、强和抗黄萎病等优良性状，但适应性差，主产区在新疆部分地区”。

长期的人工驯化，显著改变了陆地棉的性状。“比方说，野生种纤维略带棕黄色，而驯化种能产生白色纤维”，张献龙说，长期以来，科学界很少有研究剖析这些性状改变的遗传学基础。“另一方面，中国的陆地棉遗传资源狭窄，同质性较高，成为遗传育种的瓶颈。”

为了改良棉花纤维，实现又长、又细、又强，并保证产量，课题组提出一个设想，那就是将海岛棉的优良纤维基因引入到陆地棉中，利用海岛棉基因资源提升陆地棉纤维品质和抗病性。

去年3月，他们的成果“棉花驯化过程中的不对称亚基因组选择和顺式调控分歧”曾发表于《自然—遗传学》。当时，他们从DNA水平上，对已有育种工作进行了总结和全面分析，摸清了一些关键基因位点，例如什么基因能让棉花纤维又长又白。这提高了遗传育种的预见性。

“一个团队”与“一朵棉”

张献龙团队所在的华中农大，其棉花研究可追溯至20世纪30年代。以杨显东、孙济中等教授为代表的学者带领出一代代棉花研究团队。

1985年，22岁的张献龙在孙济中教授的指导下开始棉花生物技术研究，并专注应用于棉花遗传改良。

1998年，张献龙接棒成为棉花团队“掌门人”，他开始组建团队，并带领团队从资源创新入手，拓宽资源遗传背景，制定了用纤维优、综合抗逆强的海岛棉改良陆地棉的育种策略；通过基因发掘、基因组解析进行棉花育种技术创新。

此外，张献龙将现代生物技术与常规育种手段相结合，创建了棉花生物技术育种平台，为我国棉花遗传改良和产业可持续发展提供了强有力支撑。

张献龙始终瞄准国际前沿，不急不躁，潜心科研，带领团队终于掌握了成熟的棉花细胞培养技术体系，创造了多项国际第一：首个从雷蒙地棉、克劳茨基棉等野生棉细胞获得再生植株，首次从克劳茨基棉等野生棉原生质体再生植株。

在此基础上，通过集合远缘杂交、细胞工程和常规育种评价等技术，筛选出一批早熟、高产、优质及多抗的棉花新品系。

他带领团队培育了“华杂棉1号”等9个棉花新品种，并大面积推广，解决了棉花品种在产量、品质和抗性方面难以同步改良的问题，先后获得国家科技进步奖二等奖1项，省部一等奖2项，取得了丰硕成果。

“一张图”看透棉花品质改善

棉纤维是一种良好的天然纺织纤维，具有较好的吸湿性。涂礼莉告诉记者，在正常的情况下，纤维可从周围的大气中吸收水分，其含水率为8%~10%，所以它接触人的皮肤，人会感到柔软、不僵硬。

“相反的，如果棉布湿度增大，周围温度较高，纤维中含的水分会全部蒸发散去，使织物保持水平衡状态，使人感觉舒适。”涂礼莉说。

全球每年天然纺织纤维产量的90%以上源于异源四倍体棉花，即陆地棉和海岛棉。陆地棉因其产量较高，广泛种植于世界各地，海岛棉则因其优异的纤维品质而备受珍视。

论文第一作者、华中农大棉花遗传改良团队王茂军博士介绍，将海岛棉中控制优异纤维品质的遗传片段导入到陆地棉，改良陆地棉的纤维品质，是华中农大棉花遗传改良团队长期坚持的目标。

“尽管我们已从海岛棉中克隆了一系列功能基因，但这两个棉花基因组存在什么样的差异，究竟哪些基因组片段控制海岛棉优异纤维品质的形成等仍不清楚。”王茂军说，两个棉花的基因组草图已经发表，但是由于组装质量和完整性不高，很难直接从全基因组水平进行比较。

“通俗地说，组装质量和完整性不高的基因组草图可能会出现将研究者带‘偏’的情况。”涂礼莉说。

为了得到精细的基因组序列，他们利用第三代测序技术、光学图谱技术和染色质高级结构捕获技术进行联合组装。

与此前最新发表的基因组草图相比，这项研究组装的基因组序列，在连续性和完整性上有极大提高，陆地棉基因组、海岛棉基因组的连续性分别提高了55倍、90倍。

张献龙认为，这项研究成功组装了高度重复的基因组区域，通过比较两个棉花四倍体种的基因组，发现二者存在大量的结构变异。两个异源四倍体栽培种各有26对染色体，研究发现，两个棉花种的14条染色体之间存在染色体臂内和臂间的大片段倒位现象，也就是说“两个棉花种之间基因组差异很大”。

科研人员还对陆地棉和海岛棉之间的遗传导入系材料进行基因组分析，鉴定了13个控制纤维品质的遗传位点，探究了遗传位点的表达调控机制。

涂礼莉也向记者表示，这项研究为今后通过海岛棉改良陆地棉的种间渐渗育种提供了参考：“也就是说，这张基因组图解决了棉花研究人员的‘工具’问题，对加快改善棉花品质研究的进程具有重要意义。”

对于棉花纤维品质的提高，人们能否在衣着上直观感受？张献龙教授举例说，普通棉衬衣所用的面料，纤维长度一般在28毫米左右；而海岛棉纤维特别细长，制作成高档衬衣，价格不菲。“纤维如果又长又细，棉布就会薄而透气，像丝绸一样，品质提高了，消费者购买优质棉织品的性价比也就相应提高了。”