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质与量,棉花的“鱼与熊掌”未来或可兼得

发布时间:2019-03-28来源:浙大新闻办作者:柯溢能1883

棉花是世界最大的纤维作物和纺织工业原料。棉纺织品具有优越的透气性、舒适性、保暖性,深受人们的喜爱。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,纤维好,适应性广,产量占世界棉花总产的90%以上。长、强、细,光滑有色泽的海岛棉又称长绒棉是国际奢侈品的主要纺织材料,产量低,仅能在新疆、埃及、美国亚利桑那州等少数干旱地区种植,因此价格昂贵。

科研人员一直努力想把两者“鱼与熊掌”的优势综合起来,培育出既高产、适应性广同时纤维更长、更强、更细的棉花品种,而这需要我们对陆地棉和海岛棉在产量、品质和适应性差异形成的遗传基础有更深入的了解。

近日,《自然遗传学》(Nature Genetics)在线发表了农学院张天真教授牵头的一个国际团队完成的研究论文。这项研究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、长绒海岛棉优质的遗传基础。胡艳副教授、陈杰丹、马卫、博士后张志远、方磊副教授为论文共同第一作者,张天真教授为通讯作者。

海岛棉的长绒来自多出十天的“青春期”

基因测序已经是当前研究领域的重要手段,张天真团队利用了以色列NRGene公司的 DeNovoMAGIC组装技术,结合Bionano光学图谱、超高密度遗传图谱、Hi-C等辅助技术,组装出陆地棉遗传标准系TM-1和我国自育的海岛棉品种Hai7124染色体水平基因组,基因组完整性高有利于实验的开展。

科研人员在对海陆基因组比较分析后发现,特异基因表达、扩增和染色体结构变异是海陆驯化后分化的主要原因。其中纤维发育期间,膜转运、糖合成、碳水化合物代谢通路等相关基因海、陆差异富集,蔗糖转运、离子转运、液泡转化酶等、液泡中渗透物质调节等调控细胞伸长相关基因在海岛棉纤维发育中的表达持续时间远长于陆地棉,是长绒“奢侈棉”产生的主要原因。

开花后0天,10天,15天,20天,25天,30天,35天,40天,TM-1(陆地棉)和Hai7124(海岛棉)胚珠上纤维在不同发育时期的动态变化

“简单来说,我们发现海岛棉的长绒,来自更长的青春期。陆地棉一般长15天停下来,但是海岛棉生长时间在25天左右,研究中我们从基因层面找到了具体原因。”张天真说。

陆地棉的不娇气源自不惧冷热

陆地棉与海岛棉另一个区别在于对成长环境的要求,已有的研究中,科研人员已经发现陆地棉苗期耐低温还耐高温。这次,科研人员在对基因图谱的分析中发现,对冷热不敏感的基因。

陆地棉中有更多的乙烯、ABA信号调控的基因被激活,调控对冷、热等逆境响应,这可能与陆地棉的广适性密切相关。A01染色体陆地棉大片段序列的渐渗分析发现,确实存在中亚型或新疆型海岛棉。

张天真介绍,从基因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。

该项成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学优势学科和溢达集团等大力支持。南京农业大学、基诺信息科技(深圳)有限公司、以色列NRGene、澳大利亚纽卡斯尔大学、美国农业部南方研究中心、溢达集团、巴基斯坦国家生物技术和遗传改良研究中心、福建农林大学、中科院上海植物生理生态研究所等国内外多家科研机构项目参与了本项目的研究。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41588-019-0371-5

(柯溢能)