文 | 本刊編輯部

棉花功能基因組學(xué)研究：“煉”出優(yōu)質(zhì)良棉

文 | 本刊編輯部

據(jù)中國(guó)棉花公證檢驗(yàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2015年10月全國(guó)已公檢的棉花加權(quán)長(zhǎng)度指標(biāo)同比上年減少1毫米，27毫米及以下的占比59%；相比2014年，以新疆為主產(chǎn)區(qū)的棉質(zhì)量嚴(yán)重下滑，紡織企業(yè)無(wú)棉可用的境地愈發(fā)困窘。

棉花是全球最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。它的纖維，是已知纖維中純度最高的天然資源，是紡織工業(yè)主要的天然原料。全世界棉花種植面積約5億畝，其中我國(guó)常年種植面積近8000萬(wàn)畝。

我國(guó)還是世界上最大的紡織品生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，但目前原棉生產(chǎn)面臨總量嚴(yán)重不足和品質(zhì)偏差等問(wèn)題，尤其是適紡高檔棉紗的優(yōu)質(zhì)原棉，幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。因此，實(shí)現(xiàn)我國(guó)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的同步提高，對(duì)我國(guó)紡織業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，具有非常重要的意義。同時(shí)，我國(guó)人口眾多，耕地資源十分有限，糧食生產(chǎn)壓力很大，通過(guò)育種和栽培手段提高棉花的單產(chǎn)和品質(zhì)，成為最現(xiàn)實(shí)最有效的途徑。

優(yōu)質(zhì)棉發(fā)展亟需突破生物技術(shù)瓶頸

棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀為多基因控制的數(shù)量性狀。然而，利用傳統(tǒng)育種技術(shù)改良棉花品種產(chǎn)量和品質(zhì)的潛力已十分有限。近年來(lái)， 基因組學(xué)和遺傳學(xué)研究促進(jìn)了對(duì)作物基因組結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)， 將基因組學(xué)研究中獲得的新知識(shí)與傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合，是促進(jìn)作物改良的實(shí)質(zhì)問(wèn)題，模式植物水稻在這一方面研究進(jìn)展迅速。一直以來(lái)，由于棉花沒(méi)有參考基因組圖譜，這方面的研究進(jìn)展緩慢。

在“十二五”863計(jì)劃的支持下，在中國(guó)農(nóng)村技術(shù)開(kāi)發(fā)中心的指導(dǎo)和大力協(xié)助下，來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的棉花基因組測(cè)序團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合了華大基因、北京大學(xué)、美國(guó)農(nóng)業(yè)部南方平原研究中心、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)等研究單位，綜合利用第二代高通量測(cè)序技術(shù)和第一代測(cè)序技術(shù)，先后完成了亞洲棉（A基因組）、陸地棉（AD基因組）的全基因組測(cè)序，填補(bǔ)了棉花沒(méi)有參考基因組圖譜的空白，研究結(jié)果已經(jīng)連續(xù)發(fā)表在世界級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature Genetics》和《Nature Biotechnology》雜志上，將對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的改良發(fā)揮重要作用。該研究成果的價(jià)值，首先，對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)形成生物學(xué)機(jī)制的深入研究，可獲得更高效的優(yōu)異基因選擇的篩選和利用方法；其次，有助于建立新的高通量棉花基因分型新方法，而新的知識(shí)和技術(shù)有助于建立更加有效的育種策略。

陸地棉基因組形成及演化。

棉花優(yōu)良纖維是怎樣“煉”成的？

利用比較基因組學(xué)方法，該研究成果首次從全基因組水平揭示了四倍體棉花是由A基因組的祖先和D基因組的祖先通過(guò)染色體融合而形成的。同時(shí)，通過(guò)兩個(gè)二倍體棉花和四倍體棉花不同纖維發(fā)育時(shí)期乙烯代謝通路的基因組比較和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證實(shí)乙烯在調(diào)控纖維伸長(zhǎng)的雙向調(diào)節(jié)假說(shuō)——纖維伸長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，過(guò)多乙烯和乙烯不足都會(huì)抑制棉纖維的伸長(zhǎng)。該成果為棉花重要農(nóng)藝性狀分子機(jī)制的解析、基因資源挖掘與利用、異源多倍體的形成及演化規(guī)律等多個(gè)研究領(lǐng)域提供良好的支持。

第二代高通量DNA測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步和高質(zhì)量的棉花基因組參考序列的完成，將推動(dòng)快速DNA序列測(cè)定的基因分型技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)研究的發(fā)展，進(jìn)而顯著促進(jìn)棉花遺傳學(xué)研究的發(fā)展。作物改良中應(yīng)用遺傳學(xué)和功能基因組學(xué)的一大挑戰(zhàn)就是對(duì)目標(biāo)性狀基因型的鑒定。

通過(guò)遺傳學(xué)和分子標(biāo)記方法，獲得決定棉花品質(zhì)和產(chǎn)量的功能分子標(biāo)記。育種家可以利用功能標(biāo)記在系譜和群體中追蹤特定等位基因，用于對(duì)親本的選擇和對(duì)難以鑒定表型選擇性狀位點(diǎn)的加速選擇。在前期的研究中，由于棉花核心種質(zhì)的遺傳范圍比較窄，可供利用的分子標(biāo)記非常有限，因此，這方面的進(jìn)展一直比較緩慢。棉花全基因組測(cè)序的完成，已經(jīng)開(kāi)發(fā)大量的全基因組分子標(biāo)記，可以十分有效地解決這一難題。

目前，該項(xiàng)目組針對(duì)棉花早熟這一重要性狀，利用陸地棉重組自交系群體，已鑒定出5973個(gè)多態(tài)性的SNP位點(diǎn)，通過(guò)多年多點(diǎn)驗(yàn)證獲得30個(gè)早熟性狀相關(guān)QTL，部分已經(jīng)用于早熟性狀的分子標(biāo)記輔助選擇。