2022-03-23 10:01:00
3月17日，記者從華中農(nóng)業(yè)大學(xué)獲悉，該校棉花遺傳改良團(tuán)隊(duì)在國(guó)際植物學(xué)雜志《植物生理學(xué)》上刊發(fā)論文稱，他們解析了一個(gè)海島棉和陸地棉種間雜交獲得的紅色植株突變體的遺傳機(jī)制，并利用纖維特異啟動(dòng)子將目標(biāo)基因在纖維中特異表達(dá)，獲得棕色纖維棉花。這項(xiàng)研究通過(guò)賦能普通基因發(fā)揮特殊功能，開辟出一種創(chuàng)造彩色棉花的新途徑。
找到棉花由白變棕主因
“目前，天然彩色棉以棕色和綠色為主，拓展新的彩色棉種質(zhì)資源是培育彩色棉新品種亟待解決的問(wèn)題。”華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良團(tuán)隊(duì)林忠旭教授說(shuō)。
為此，在實(shí)驗(yàn)室前期研究中，該團(tuán)隊(duì)在海島棉3-79與陸地棉E22雜交后代中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)紅株突變體。突變體全株呈現(xiàn)紫紅色，但成熟纖維依舊保持正常白色。經(jīng)過(guò)9代連續(xù)自交后，得到純合突變體（ReS9）。
團(tuán)隊(duì)利用ReS9與E22構(gòu)建含1899株F2（雜交二代）隱性單株的群體，通過(guò)圖位克隆，將目標(biāo)鎖定在D亞基因組的第7號(hào)染色體上（D07），以尋找與棉花顏色有關(guān)的目標(biāo)基因。通過(guò)代謝路徑分析、表達(dá)量檢測(cè)與TA克隆，最終確定目標(biāo)基因?yàn)镸YB113類的轉(zhuǎn)錄因子，并將其命名為Re。
套袋實(shí)驗(yàn)證明，突變體中Re的表達(dá)受自然光的誘導(dǎo)。利用突變體、35S啟動(dòng)子超表達(dá)系以及纖維特異表達(dá)系在自然光和溫室兩種條件下的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了陸地棉中參與色素代謝的核心基因集，并初步構(gòu)建Re參與的色素代謝網(wǎng)絡(luò)。
通過(guò)纖維特異表達(dá)啟動(dòng)子GbEXPA2的驅(qū)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)成功獲得植株為正常綠色而發(fā)育中纖維呈紫紅色的轉(zhuǎn)化系。隨著纖維發(fā)育，紫紅色逐漸變淺，最終成熟纖維呈現(xiàn)出不同程度深淺的棕色。
通過(guò)檢測(cè)纖維中花青素的含量，研究人員發(fā)現(xiàn)，Re可以直接調(diào)節(jié)類黃酮代謝路徑下游ANS和UFGT的表達(dá)，從而影響原花色素（PA）與花青素積累，而PA的大量積累是成熟纖維呈棕色的主要原因。
彩色棉花未來(lái)可期
棉花是最主要的天然纖維原料，而彩色棉又稱天然彩色細(xì)絨棉，是纖維與色素結(jié)合體。
團(tuán)隊(duì)成員汪念博士說(shuō)，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為彩色棉研究提供了新思路，為創(chuàng)制更多顏色的棉花纖維奠定了基礎(chǔ)。如何保持花青素在纖維中穩(wěn)定積累，以及協(xié)調(diào)PA等其他代謝物的積累，可能是創(chuàng)制彩色纖維棉花的突破口。
汪念介紹，團(tuán)隊(duì)與石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院開展合作，將棕色棉種質(zhì)資源進(jìn)行育種，獲得的“新彩棉28”和“石彩17”兩個(gè)品種已審定完成，另外2個(gè)品種在等待頒發(fā)品種證書。
彩色棉是采用雜交以及現(xiàn)代生物工程技術(shù)培育出的一種在吐絮時(shí)就具有綠色、棕色等天然色彩的棉花。其用于紡織，可免去繁雜印染工序，不僅能降低生產(chǎn)成本，還能保證零污染。此外，彩色棉還具有較高的抗菌性、抗氧化性、抗紫外線性能等優(yōu)點(diǎn)。
與人工染色棉制品相比，天然彩色棉制品有利于人體健康，對(duì)皮膚無(wú)刺激，符合環(huán)保要求，透氣性能、吸汗效果也更佳。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，未來(lái)，在現(xiàn)有的棕色、綠色彩色棉基礎(chǔ)上，藍(lán)色、紫色、灰紅色、褐色等彩色棉品種也將逐步被開發(fā)出來(lái)。
目前，團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)開展棕色棉色素形成機(jī)理研究，通過(guò)連鎖作圖和關(guān)聯(lián)分析揭示棕色棉的遺傳基礎(chǔ)，確定控制棕色棉形成的關(guān)鍵基因，發(fā)現(xiàn)WD40蛋白可能是影響棕色棉著色深淺的重要因素。
團(tuán)隊(duì)還將探究不同深淺棕色的精細(xì)調(diào)控模式，以便形成不同色度的棕色棉花，滿足紡織業(yè)對(duì)不同原料的需求。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)利用分子標(biāo)記鑒定到棕色棉中存在一個(gè)與纖維品質(zhì)密切相關(guān)的染色體倒位事件，以倒位事件為引線，探究色素合成與積累對(duì)纖維品質(zhì)的影響，可解決產(chǎn)量、品質(zhì)與色澤的負(fù)相關(guān)矛盾，實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色棉產(chǎn)量、品質(zhì)和色澤等的改良。
“我們也在研究綠色棉花的形成機(jī)制，努力創(chuàng)制新的綠色纖維棉種資源。”林忠旭說(shuō)，他們將發(fā)掘更多的色澤基因，并借助轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)及纖維特異啟動(dòng)子將多個(gè)色澤基因串聯(lián)表達(dá)，嘗試培育其他顏色的棉花。
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