棉花是世界最大的纖維作物，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、適應性廣，占世界棉花總產量90%以上；長、強、細，光滑有色澤的海島棉則是國際奢侈品的主要紡織材料，僅能在我國新疆和其他國家等少數干旱地區種植，產量較低且價格昂貴。
綜合二者優勢，培育出既高產、適應性廣同時纖維品質更優良的棉花品種，是學界的研究熱點。近日，浙江大學農業與生物技術學院張天真教授率領團隊發現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、長絨海島棉纖維優質的遺傳基礎，將推動新棉花品種的問世。相關成果近期發表于《自然遺傳學》。
十天時間產生“質”的差異
“陸地棉和海島棉有明顯的基因組分化，兩者是同一起源、獨立馴化的。獨立的馴化過程，導致了二者在植株形態、產量、纖維品質、環境適應性等方面的差異。”論文第一作者之一胡艷副教授向科技日報記者介紹，團隊通過鑒定大量海陸棉基因組序列變異，為闡明海陸棉差異的分子機制奠定了基礎。
在我國，被用于頂尖紡織衣物關鍵材料的海島棉，產量不到棉花總產的5%，其他多為陸地棉，棉花生產總體面臨著類型單一、纖維長度短、纖維強度較低等問題。解析造成二者差異的遺傳基礎，是整合海陸棉優異性狀的前提，也是我國棉花育種的重要目標。
“基因組測序是棉花科學研究與育種研究的重要基礎。”張天真表示，利用國際頂級的基因組組裝技術并結合高密度遺傳圖譜、光學圖譜等多種輔助組裝技術，團隊更新了陸地棉遺傳標準系TM-1的參考基因組并獲得了我國自育的海島棉品種Hai7124染色體水平的參考基因組，兩種棉花基因組的清晰度與完整性前所未有。
通過對海陸棉基因組的比較分析，團隊發現，特異基因表達、擴增和染色體結構變異是海陸馴化后形成差異的主要原因。胡艷告訴記者，尤其在特異基因表達層面，相較于陸地棉，海島棉中發現與纖維發育有關的基因擴增且表達時間更長。
“具體是參與糖合成、碳水化合物代謝通路等的基因在海島棉纖維發育過程中表達持續時間更長。”胡艷補充道，相比陸地棉，蔗糖轉運、離子轉運、液泡轉化酶等與液泡中滲透物質調節相關的基因在海島棉纖維發育中表達時間顯著延長，增強了棉花纖維細胞中液泡的膨壓，從而促進棉花纖維的生長。
根據對TM-1（陸地棉）和Hai7124（海島棉）胚珠上纖維在不同發育時期動態變化的觀察，團隊發現陸地棉纖維伸長一般為10天，海島棉持續15天左右，由于特異基因的表達差異，二者在纖維品質上的差別就此拉開。
基因遴選開展新品種培育
對外界環境的不同要求，也是陸地棉與海島棉的區別之一。在纖維品質方面，陸地棉雖不及海島棉，但憑其對環境的適應能力也能扳回一局。
已有科研人員發現，陸地棉對不同環境具有廣泛的適應性。胡艷表示，基于這一研究，團隊通過對基因表達譜的分析，也發現了能使陸地棉“不懼冷熱”的基因。
分析結果顯示，相比海島棉，陸地棉中有更多的參與乙烯信號、ABA信號調控的基因被激活，調控對冷、熱等逆境響應，這或與陸地棉的廣適性密切相關。胡艷表示，這些發現為探尋陸地棉和海島棉基因組的進化、馴化歷史，以及棉花遺傳改良奠定了基礎。
“就海島棉和陸地棉優良性狀的整合，科學家們已進行過雜交嘗試，但雜交后代性狀分離特別嚴重。”胡艷也向記者透露，通過此次測序分析，團隊為綜合二者優點找到了很多候選基因，準備采用基因編輯的方式改良棉花纖維的品質以及抗逆性。
同樣得益于本次研究中清晰完整的基因組分析，目前該團隊對海島棉與陸地棉各有所長的基因表達越發明確，也有望以轉基因的方式培育出新品種。
“此次研究從基因組層面找到海島棉與陸地棉的差異，對未來培育具有高產、纖維優良、適應性強的棉花新品種提供了有力的理論支持。”談及新品種的問世，張天真表示，目前團隊已開展棉花新品種的培育，對相關的優良基因也在不斷挖掘。
