我国率先育出“大个子”棉花

解放日报,2012-04-08

在棉花种子中植入特殊功能基因，延缓其细胞分裂，最终育出全新“大个子”基因棉花，棉纤维平均增长3毫米，结铃率提升20%。昨天，我国转基因生物新品种培育重大专项棉花项目执行专家组宣布，我国率先在第二代转基因棉花纤维研究领域取得重大进展。目前，这一“大个子”棉花新品种已经历8代优化改良，进入育种推广阶段，有望成为我国棉花种植、纺织等产业优化发展的“杀手锏”。

据了解，所谓“第二代”，是相对于第一代植入“除虫基因”的棉花品种而言。在现有技术已解决棉花防虫害问题之后，如何令其纤维增长、产量提升，成为当前全球棉花品种培育研究中的主攻目标，在我国农业科技领域也尤显急迫。数据显示，去年我国棉花的种植面积约8000万亩，年产量约790万吨，棉纺织出口额达数千亿美元。但令人遗憾的是，由于品种所限，我国棉花纤维长度单一，95%以上集中在27—29毫米，而棉纤维达到35毫米的长绒棉种植面积仅30万亩左右，且亩产量不及一般品种的七分之一。这一情况直接导致我国对长纤维的高端棉花长期依赖进口。

2005年起，复旦大学杨金水教授课题组凭借功能基因研发的优势，与中国棉花研究所全面合作，开展棉花纤维品质的改良研究。据介绍，经过多年积累后发现，控制植物开花的基因中某一特殊片段，具有干扰、延缓细胞分裂，客观上令单细胞增大的功能，研究组将之命名为“csRRM”（细胞大小控制基因片段）。而棉花纤维是由种子表皮细胞突起生成的，每条纤维都由一个单独的细胞组成。要利用基因技术增长纤维，就须从植物单细胞大小调控着手，csRRM的发现，无疑为棉花“长大”找到了突破口。

复旦大学课题组与中国棉花研究所李付广研究员课题组合作精心设计，将csRRM基因经过改造后导入棉花，至今已经获得一批在棉花育种和生产上具有极高应用价值的转基因棉花品系。与对照组棉花相较，平均单铃（即棉花果实，可从中抽取棉纤维）重从5.5克提高到7.5克，纤维平均长度由30.5毫米提高到33.5毫米。此外，由于棉花生殖生长与营养生长同步进行，很容易因植株营养供给跟不上而掉铃。csRRM转基因棉花因生长势强，结铃率比一般品种提高20%以上，在高产、优质品种培育方面具有较强的应用潜力。

据悉，目前相关基因和新品种培育技术在全球居领先水平，已申请国际发明专利。

织出高支棉布不仅需要高超的纺织技术，还需要有长纤维棉花。昨天，我国转基因生物新品种培育重大专项棉花项目执行专家组正式对外宣布，在转基因重大专项的支持下，我国第二代转基因棉花纤维研究取得重大进展，长纤维棉花的育种进入世界领先行列，并拥有国际发明专利等自主知识产权。而复旦大学生命科学学院国家基因工程重点实验室杨金水教授的课题组从2005年开始就参与这一项目，并为该项目的进展做出了重大贡献。

我国是棉花的重要产地，但棉花品质却存在问题：高、中、低档棉花的比例不合理。美国纤维长度31毫米的棉花占总量的7%-8%，而我国不足1%。我国的棉花纤维长度95%以上集中在27-29毫米，只适合纺32-40支纱，缺少长度为31-32毫米和25-26毫米纺高支纱和低支纱的原棉。

棉花的每一根纤维都由一个单独的细胞组成，要使棉花纤维增长，只有使这个细胞的个子变长。据介绍，中国有一种棉花可以符合长纤维棉的特点，即海岛棉，但海岛棉产量很低，且结出来的果子很小。科学家一直在尝试使海岛棉的果实更大一点，或者把海岛棉的长度基因植入陆地棉，但“试了几十年，就好像是要培育出有老虎基因的狮子，非常难。”

杨金水教授发现的使棉花细胞变大的基因，源于一次实验失误。有一次，杨金水教授让一位埃及博士生做水稻实验，结果这个埃及博士生和别的学生用英文交流时发生口误，把一个基因片段装反了，培育出来的水稻苗长相奇特。杨金水教授发现，这个水稻种到实验田里结出的谷粒，体积增加了73%——正是这个被装错的基因片段，具有调节细胞大小的功能。

杨金水教授说，我们通过实验验证了控制植物开花的基因中某一特殊片段具有干扰、延缓细胞分裂的作用，客观上可以让单细胞增大，研究组于是将之命名为“csRRM”(细胞大小控制基因片段)。“正常情况下，细胞成熟了就会不停地分裂，但这个基因可以使细胞成熟后不是急着分裂，而是先长个子。”

杨金水教授课题组分离克隆了csRRM，并与中国棉花研究所李付广研究员课题组合作，将csRRM基因经过改造后导入棉花，至今已获得一批在棉花育种和生产上具有极高应用价值的转基因棉花品系，与对照组棉花相较，平均单铃（即棉花果实，可从中抽取棉纤维）重从5.5克提高到7.5克，纤维平均长度由30.5毫米提高到33.5毫米。

据介绍，这一成果已经与育种单位合作，将在部分地区试种。而课题组还将根据长江流域、黄淮河流域和新疆、西北地区这三大棉花种植地区的气候条件，对棉花进行再次改良。

现代科学中的基因技术应否用于农业？它究竟是解决地球人口温饱问题的“金钥匙”，还是可能危害健康、甚至有悖伦理的“撒旦之手”？

争议从未停止。对此，杨金水坦言，农业转基因技术对人体可能带来的影响尚待长期观察，大范围应用也须谨慎，但相关研究却不可在全球科技竞争中“脱班”。

首先，由于植物在基因层面中具有一定相似性，基因技术在农业中的应用往往具有“群体效应”，即在一类植株中起作用，就能推广至更多品种，如在非食品类农产品中率先应用，可能解决人口不断增多引起的供需矛盾。此次在棉花“长大”中立功的csRRM基因片段就是一例。很少有人知道，在“大个子”棉花研究中的这个关键基因片段，其实最早是在水稻研究中发现的。8年前，为了研究水稻开花基因FCA的具体影响，杨金水要求自己的埃及博士生协助将其中的RRM1片断以“反向”形式导入实验用的粳稻。可能因为语言理解上的偏差，埃及学生导入的是正常顺序的RRM1片断。然而，几个月后，研究人员却意外发现试管中的水稻幼苗较对照组粗壮得多。这一“无心插柳”促生了一项可以让谷粒增重约七成的基因技术。当时，出于对基因技术应用于水稻这一主粮的谨慎，研究小组将其作为技术储备，如今终于可在棉花新品种培育中发挥作用。

其次，基因技术科研不尽早“占位”，未来很可能受制于人。杨金水举例说，目前已在全球棉花种植中广泛应用的防虫害基因出自美国研究团队之手，使用它就要付专利费，而另起炉灶寻找其他相同功能的基因却并不那么容易。不断探索功能性基因在农业生产中的应用，掌握更多自主创新技术，更有助于相关产业发展在全球竞争中居于主动。