棉花功能基因组学研究：“炼”出优质良棉

文 | 本刊编辑部

棉花功能基因组学研究：“炼”出优质良棉

文 | 本刊编辑部

据中国棉花公证检验网数据显示，2015年10月全国已公检的棉花加权长度指标同比上年减少1毫米，27毫米及以下的占比59%；相比2014年，以新疆为主产区的棉质量严重下滑，纺织企业无棉可用的境地愈发困窘。

棉花是全球最重要的经济作物之一。它的纤维，是已知纤维中纯度最高的天然资源，是纺织工业主要的天然原料。全世界棉花种植面积约5亿亩，其中我国常年种植面积近8000万亩。

我国还是世界上最大的纺织品生产国和消费国，但目前原棉生产面临总量严重不足和品质偏差等问题，尤其是适纺高档棉纱的优质原棉，几乎全部依赖进口。因此，实现我国棉花产量和品质的同步提高，对我国纺织业持续健康发展，具有非常重要的意义。同时，我国人口众多，耕地资源十分有限，粮食生产压力很大，通过育种和栽培手段提高棉花的单产和品质，成为最现实最有效的途径。

优质棉发展亟需突破生物技术瓶颈

棉花的产量和品质性状为多基因控制的数量性状。然而，利用传统育种技术改良棉花品种产量和品质的潜力已十分有限。近年来， 基因组学和遗传学研究促进了对作物基因组结构和功能的认识， 将基因组学研究中获得的新知识与传统育种方法相结合，是促进作物改良的实质问题，模式植物水稻在这一方面研究进展迅速。一直以来，由于棉花没有参考基因组图谱，这方面的研究进展缓慢。

在“十二五”863计划的支持下，在中国农村技术开发中心的指导和大力协助下，来自中国农业科学院棉花研究所的棉花基因组测序团队，联合了华大基因、北京大学、美国农业部南方平原研究中心、河北农业大学等研究单位，综合利用第二代高通量测序技术和第一代测序技术，先后完成了亚洲棉（A基因组）、陆地棉（AD基因组）的全基因组测序，填补了棉花没有参考基因组图谱的空白，研究结果已经连续发表在世界级学术期刊《Nature Genetics》和《Nature Biotechnology》杂志上，将对棉花产量和品质的改良发挥重要作用。该研究成果的价值，首先，对棉花产量和品质形成生物学机制的深入研究，可获得更高效的优异基因选择的筛选和利用方法；其次，有助于建立新的高通量棉花基因分型新方法，而新的知识和技术有助于建立更加有效的育种策略。

陆地棉基因组形成及演化。

棉花优良纤维是怎样“炼”成的？

利用比较基因组学方法，该研究成果首次从全基因组水平揭示了四倍体棉花是由A基因组的祖先和D基因组的祖先通过染色体融合而形成的。同时，通过两个二倍体棉花和四倍体棉花不同纤维发育时期乙烯代谢通路的基因组比较和详细的实验证据，证实乙烯在调控纤维伸长的双向调节假说——纤维伸长发育过程中，过多乙烯和乙烯不足都会抑制棉纤维的伸长。该成果为棉花重要农艺性状分子机制的解析、基因资源挖掘与利用、异源多倍体的形成及演化规律等多个研究领域提供良好的支持。

第二代高通量DNA测序技术的进步和高质量的棉花基因组参考序列的完成，将推动快速DNA序列测定的基因分型技术和全基因组关联研究的发展，进而显著促进棉花遗传学研究的发展。作物改良中应用遗传学和功能基因组学的一大挑战就是对目标性状基因型的鉴定。

通过遗传学和分子标记方法，获得决定棉花品质和产量的功能分子标记。育种家可以利用功能标记在系谱和群体中追踪特定等位基因，用于对亲本的选择和对难以鉴定表型选择性状位点的加速选择。在前期的研究中，由于棉花核心种质的遗传范围比较窄，可供利用的分子标记非常有限，因此，这方面的进展一直比较缓慢。棉花全基因组测序的完成，已经开发大量的全基因组分子标记，可以十分有效地解决这一难题。

目前，该项目组针对棉花早熟这一重要性状，利用陆地棉重组自交系群体，已鉴定出5973个多态性的SNP位点，通过多年多点验证获得30个早熟性状相关QTL，部分已经用于早熟性状的分子标记辅助选择。