棉花是世界最大的纖維作物和紡織工業(yè)原料。棉紡織品具有優(yōu)越的透氣性、舒適性、保暖性，深受人們的喜愛。目前被人類馴化的四倍體棉花有陸地棉和海島棉。陸地棉產量高，纖維好，適應性廣，產量=占世界棉花總產的90%以上。長、強、細，光滑有色澤的海島棉又稱長絨棉是國際奢侈品的主要紡織材料，產量低，僅能在新疆、埃及、美國亞利桑那州等少數(shù)干旱地區(qū)種植，因此價格昂貴。


科研人員一直努力想把兩者“魚與熊掌”的優(yōu)勢綜合起來，培育出既高產、適應性廣同時纖維更長、更強、更細的棉花品種，而這需要我們對陸地棉和海島棉在產量、品質和適應性差異形成的遺傳基礎有更深入的了解。


近日，《自然遺傳學》(Nature Genetics)在線發(fā)表了浙大農學院張?zhí)煺娼淌跔款^的一個國際團隊完成的研究論文。這項研究發(fā)現(xiàn)了陸地棉與海島棉的起源和種間分化的遺傳機制，揭示了陸地棉廣適性、長絨海島棉優(yōu)質的遺傳基礎。


海島棉的長絨來自多出十天的“青春期”


基因測序已經是當前研究領域的重要手段，張?zhí)煺鎴F隊利用了以色列NRGene公司的DeNovoMAGIC組裝技術，結合Bionano光學圖譜、超高密度遺傳圖譜、Hi-C等輔助技術，組裝出陸地棉遺傳標準系TM-1和我國自育的海島棉品種Hai7124染色體水平基因組，基因組完整性高有利于實驗的開展。


科研人員在對海陸基因組比較分析后發(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分化的主要原因。其中纖維發(fā)育期間，膜轉運、糖合成、碳水化合物代謝通路等相關基因海、陸差異富集，蔗糖轉運、離子轉運、液泡轉化酶等、液泡中滲透物質調節(jié)等調控細胞伸長相關基因在海島棉纖維發(fā)育中的表達持續(xù)時間遠長于陸地棉，是長絨“奢侈棉”產生的主要原因。


開花后0天，10天，15天，20天，25天，30天，35天，40天，TM-1(陸地棉)和Hai7124(海島棉)胚珠上纖維在不同發(fā)育時期的動態(tài)變化


“簡單來說，我們發(fā)現(xiàn)海島棉的長絨，來自更長的青春期。陸地棉一般長15天停下來，但是海島棉生長時間在25天左右，研究中我們從基因層面找到了具體原因?！睆?zhí)煺嬲f。


陸地棉的不嬌氣源自不懼冷熱


陸地棉與海島棉另一個區(qū)別在于對成長環(huán)境的要求，已有的研究中，科研人員已經發(fā)現(xiàn)陸地棉苗期耐低溫還耐高溫。這次，科研人員在對基因圖譜的分析中發(fā)現(xiàn)，對冷熱不敏感的基因。


陸地棉中有更多的乙烯、ABA信號調控的基因被激活，調控對冷、熱等逆境響應，這可能與陸地棉的廣適性密切相關。A01染色體陸地棉大片段序列的漸滲分析發(fā)現(xiàn)，確實存在中亞型或新疆型海島棉。


張?zhí)煺娼榻B，從基因層面找到海島棉與陸地棉的差異，對未來培育具有高產、纖維優(yōu)良、適應性強的棉花新品種提供了有力的理論支持。