表观遗传改良棉

申燕红

于棉花价格下滑和气候变幻化莫测等因素，美国棉农举步维艰。得州州立大学奥斯汀分校的一项新研究则可能为美国棉花产业带来曙光。研究的初步成果是：通过一个表观遗传改良过程，培育出品质更优、产量更高的棉花。

该研究由美国得克萨斯州农工大学和中国南京农业大学分子生物科学系植物分子遗传学专家教授——陈增建先生（Z Jeffrey Chen）带领的科学家团队联合实施，受美国国家科学基金和中国国家自然科学基金资助，其成果已发表在中国《基因组生物学》杂志上。

此项研究基于近几十年的研究成果。在此之前，科学家就已发现：生物的诸多性状不仅受其基因的控制，也受除DNA以外的外界演化过程控制。而这种决定基因可识别与否、识别时间和数量的过程则属于表观遗传学的范畴。这一发现，为探索生物的全新培育方法提供了可能性。育种者可通过有选择地控制基因识别的开启和关闭，在未改变基因的情况下，培育出新品种。

在该项研究中，研究人员从野生棉花和经过人工培育的棉花中，识别出超过500种经过表观遗传改良的基因。其中一些基因与人们已知的农艺和驯化特征有关联，这些基因信息有助于选择所需改变的性状，进行识别性遗传改良。例如可通过此技术，使纤维实现增产或具有抗旱、耐热或抗虫害的特性。又如，野生棉花品种可能携带抗旱基因，但在人工培育的棉花上表观遗传处于未表达状态，而通过此技术，就能使已驯化的棉花更具抗旱特性。

专家表示，将两种方法结合在一起，既能增加对表观遗传的认识，又将有利于表观遗传育种对遗传育种方法进行补充。由于已知表观遗传变化如何影响开花和应激反应，育种者就可重新激活已在人工培育的棉花中应激反应基因。

在该研究团队发现在试验中产生了一种“甲基”，即DNA甲基化。这种甲基化就是一系列通过自然的闭合过程，使遗传基因开启或关闭的因素。甲基化为那些想通过表观遗传改良技术改良物种的生物科技公司提供了重要线索。这种甲基化涵盖了最为广泛种植的棉花品种，包括陆地棉和美国棉，也包括近亲品种如皮马或埃及棉，以及野生近缘种。从甲基化中可看出这些植物在100万年的时间里的表观遗传变化。

获知进化和人工培育过程中甲基化的改变将有助于进一步推动表观遗传改良技术成为现实。就如何实现基因甲基化改良的问题上，现代育种者可用化学物质或优化的基因编辑技术（如CRISPR / Cas9）改良基因甲基化。两种方法均可使育种者对植物的表观基因组进行有针对性的改良，并培育出具有更优性状的新品种。

表觀遗传育种不仅可应用于棉花，还可用于许多其他作物，如小麦、油菜籽、咖啡、土豆、香蕉和玉米。

棉花是最大的纤维作物，世界上有150多个国家参与棉花进出口。在美国经济中，棉花所带动的产值年收入逾1000亿美元，是美国第一大增值作物。

研究人员发现，在野生品种组合形成杂交种，杂交品种适应其环境变化，最后在被人类培育的过程中，DNA甲基化也随之发生变化。该团队的这一发现至关重要，因为棉花从一种最初仅能在热带地区生长的植物变为可在世界各地广泛生长的植物，其原因不是基因变化，而是表观遗传性质的改变。

研究人员还发现，野生棉花含有一种甲基化基因，有防止棉花在白昼较长的季节里开花，包括美国和中国的许多地方，在夏季白昼都较长。在种植棉花中，相同的基因失去了这种甲基化，允许这种基因被识别，而这种表观遗传的改变，使棉花得以在全球广泛种植。此研究基于当前美国（或高原）最完整的棉花遗传序列图进行的，这份序列图是中国专家和他的合作者在两年前研发成功的。

棉花的培育可追溯到150多万年前。那时，两种不同的野生作物种被人类渐渐培育成一种杂交，人类最终促成了现代陆地棉和皮马棉的发展。专家发现，今天类似的杂交中的DNA甲基化，也存在于野生和人工培育棉花中，这表明，这些变化贯穿于进化、选择和培育过程始终。西方育种专家担心，现有的改良可能导致再培育棉的退化，而这一发现，能大大消除他们的疑虑。

世界棉花研究权威认为，表观遗传改良棉是一种全新的突破。它不仅改变了人类过去的单一改良法，而且在培育新品种上闯出了一条新路，使人类从此有了另一种培育方法。

（据印度近期《纤维与时尚》和《时尚世界》http：//www.fibre2fashion.com/news/cotton-news/epigenetic-modification-for-better-cotton-coming-up-206130-newsdetails.htm；http：//www.fashionatingworld.com/new1-2/first-step-taken-toward-epigenetically-modified-cotton）endprint