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隊在國際植物學(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制，并利用纖維特異啟動子將目標(biāo)基因在纖維中特異表達，獲得棕色纖維棉花。這項研究通過賦能普通基因發(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題。”華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良團隊林忠旭教授說。
為此，在實驗室前期研究中，該團隊在海島棉3-79與陸地棉E22雜交后代中發(fā)現(xiàn)了一個紅株突變體。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9代連續(xù)自交后，得到純合突變體（ReS9）。
團隊利用ReS9與E22構(gòu)建含1899株F2（雜交二代）隱性單株的群體，通過圖位克隆，將目標(biāo)鎖定在D亞基因組的第7號染色體上（D07），以尋找與棉花顏色有關(guān)的目標(biāo)基因。通過代謝路徑分析、表達量檢測與TA克隆，最終確定目標(biāo)基因為MYB113類的轉(zhuǎn)錄因子，并將其命名為Re。
套袋實驗證明，突變體中Re的表達受自然光的誘導(dǎo)。利用突變體、35S啟動子超表達系以及纖維特異表達系在自然光和溫室兩種條件下的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，團隊構(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)。
通過纖維特異表達啟動子GbEXPA2的驅(qū)動，團隊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。
通過檢測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，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絨棉，是纖維與色素結(jié)合體。
團隊成員汪念博士說，上述實驗結(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，團隊與石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院開展合作，將棕色棉種質(zhì)資源進行育種，獲得的“新彩棉28”和“石彩17”兩個品種已審定完成，另外2個品種在等待頒發(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。
與人工染色棉制品相比，天然彩色棉制品有利于人體健康，對皮膚無刺激，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，未來，在現(xiàn)有的棕色、綠色彩色棉基礎(chǔ)上，藍色、紫色、灰紅色、褐色等彩色棉品種也將逐步被開發(fā)出來。
目前，團隊正在繼續(xù)開展棕色棉色素形成機理研究，通過連鎖作圖和關(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。
團隊還將探究不同深淺棕色的精細調(diào)控模式，以便形成不同色度的棕色棉花，滿足紡織業(yè)對不同原料的需求。同時，團隊利用分子標(biāo)記鑒定到棕色棉中存在一個與纖維品質(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纖維品質(zhì)的影響，可解決產(chǎn)量、品質(zhì)與色澤的負相關(guān)矛盾，實現(xiàn)對彩色棉產(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制，努力創(chuàng)制新的綠色纖維棉種資源。”林忠旭說，他們將發(fā)掘更多的色澤基因，并借助轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)及纖維特異啟動子將多個色澤基因串聯(lián)表達，嘗試培育其他顏色的棉花。
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