“棉花是唯一果實(shí)被稱作花的植物，既可在春季種植，也可在麥后的夏季種植。它是上世紀(jì)八九十年代我國農(nóng)民最重要的經(jīng)濟(jì)來源之一。”論文第一作者、華中農(nóng)大棉花遺傳改良團(tuán)隊(duì)教授涂禮莉告訴記者，以前，在江漢平原、在天山南麓，幾乎家家戶戶都種棉花，放眼望去，整個(gè)田野幾乎都是棉花的世界。
在我國的棉花栽培歷史上，曾先后種植過四個(gè)栽培品種，即海島棉、亞洲棉、陸地棉和草棉。目前我國種植的棉花多為陸地棉，在新疆還種植有少量海島棉。
如今，棉花依舊是我國主要的大田經(jīng)濟(jì)作物，常年種植面積7000萬畝，年產(chǎn)700萬噸，產(chǎn)值1100多億元，事關(guān)國計(jì)民生，也一直備受國際棉花研究界的關(guān)注。
雖然我國栽培陸地棉已有百余年，但育種一直是“摸著石頭過河”。論文通訊作者張獻(xiàn)龍告訴記者，目前，我國所產(chǎn)原棉95%來源于陸地棉，“它適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高，但纖維長度偏短、易得黃萎病。除了陸地棉，海島棉亦從國外引種，具有纖維長、細(xì)、強(qiáng)和抗黃萎病等優(yōu)良性狀，但適應(yīng)性差，主產(chǎn)區(qū)在新疆部分地區(qū)”。
長期的人工馴化，顯著改變了陸地棉的性狀。“比方說，野生種纖維略帶棕黃色，而馴化種能產(chǎn)生白色纖維”，張獻(xiàn)龍說，長期以來，科學(xué)界很少有研究剖析這些性狀改變的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。“另一方面，中國的陸地棉遺傳資源狹窄，同質(zhì)性較高，成為遺傳育種的瓶頸。”
為了改良棉花纖維，實(shí)現(xiàn)又長、又細(xì)、又強(qiáng)，并保證產(chǎn)量，課題組提出一個(gè)設(shè)想，那就是將海島棉的優(yōu)良纖維基因引入到陸地棉中，利用海島棉基因資源提升陸地棉纖維品質(zhì)和抗病性。
去年3月，他們的成果“棉花馴化過程中的不對稱亞基因組選擇和順式調(diào)控分歧”曾發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》。當(dāng)時(shí)，他們從DNA水平上，對已有育種工作進(jìn)行了總結(jié)和全面分析，摸清了一些關(guān)鍵基因位點(diǎn)，例如什么基因能讓棉花纖維又長又白。這提高了遺傳育種的預(yù)見性。
“一個(gè)團(tuán)隊(duì)”與“一朵棉”
張獻(xiàn)龍團(tuán)隊(duì)所在的華中農(nóng)大，其棉花研究可追溯至20世紀(jì)30年代。以楊顯東、孫濟(jì)中等教授為代表的學(xué)者帶領(lǐng)出一代代棉花研究團(tuán)隊(duì)。
1985年，22歲的張獻(xiàn)龍?jiān)趯O濟(jì)中教授的指導(dǎo)下開始棉花生物技術(shù)研究，并專注應(yīng)用于棉花遺傳改良。
1998年，張獻(xiàn)龍接棒成為棉花團(tuán)隊(duì)“掌門人”，他開始組建團(tuán)隊(duì)，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從資源創(chuàng)新入手，拓寬資源遺傳背景，制定了用纖維優(yōu)、綜合抗逆強(qiáng)的海島棉改良陸地棉的育種策略；通過基因發(fā)掘、基因組解析進(jìn)行棉花育種技術(shù)創(chuàng)新。
此外，張獻(xiàn)龍將現(xiàn)代生物技術(shù)與常規(guī)育種手段相結(jié)合，創(chuàng)建了棉花生物技術(shù)育種平臺，為我國棉花遺傳改良和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力支撐。
張獻(xiàn)龍始終瞄準(zhǔn)國際前沿，不急不躁，潛心科研，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)終于掌握了成熟的棉花細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)體系，創(chuàng)造了多項(xiàng)國際第一：首個(gè)從雷蒙地棉、克勞茨基棉等野生棉細(xì)胞獲得再生植株，首次從克勞茨基棉等野生棉原生質(zhì)體再生植株。
在此基礎(chǔ)上，通過集合遠(yuǎn)緣雜交、細(xì)胞工程和常規(guī)育種評價(jià)等技術(shù)，篩選出一批早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及多抗的棉花新品系。
他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)培育了“華雜棉1號”等9個(gè)棉花新品種，并大面積推廣，解決了棉花品種在產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性方面難以同步改良的問題，先后獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，取得了豐碩成果。
“一張圖”看透棉花品質(zhì)改善
棉纖維是一種良好的天然紡織纖維，具有較好的吸濕性。涂禮莉告訴記者，在正常的情況下，纖維可從周圍的大氣中吸收水分，其含水率為8%~10%，所以它接觸人的皮膚，人會感到柔軟、不僵硬。
“相反的，如果棉布濕度增大，周圍溫度較高，纖維中含的水分會全部蒸發(fā)散去，使織物保持水平衡狀態(tài)，使人感覺舒適。”涂禮莉說。
全球每年天然紡織纖維產(chǎn)量的90%以上源于異源四倍體棉花，即陸地棉和海島棉。陸地棉因其產(chǎn)量較高，廣泛種植于世界各地，海島棉則因其優(yōu)異的纖維品質(zhì)而備受珍視。
論文第一作者、華中農(nóng)大棉花遺傳改良團(tuán)隊(duì)王茂軍博士介紹，將海島棉中控制優(yōu)異纖維品質(zhì)的遺傳片段導(dǎo)入到陸地棉，改良陸地棉的纖維品質(zhì)，是華中農(nóng)大棉花遺傳改良團(tuán)隊(duì)長期堅(jiān)持的目標(biāo)。
“盡管我們已從海島棉中克隆了一系列功能基因，但這兩個(gè)棉花基因組存在什么樣的差異，究竟哪些基因組片段控制海島棉優(yōu)異纖維品質(zhì)的形成等仍不清楚。”王茂軍說，兩個(gè)棉花的基因組草圖已經(jīng)發(fā)表，但是由于組裝質(zhì)量和完整性不高，很難直接從全基因組水平進(jìn)行比較。
“通俗地說，組裝質(zhì)量和完整性不高的基因組草圖可能會出現(xiàn)將研究者帶‘偏’的情況。”涂禮莉說。
為了得到精細(xì)的基因組序列，他們利用第三代測序技術(shù)、光學(xué)圖譜技術(shù)和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)捕獲技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合組裝。
與此前最新發(fā)表的基因組草圖相比，這項(xiàng)研究組裝的基因組序列，在連續(xù)性和完整性上有極大提高，陸地棉基因組、海島棉基因組的連續(xù)性分別提高了55倍、90倍。
張獻(xiàn)龍認(rèn)為，這項(xiàng)研究成功組裝了高度重復(fù)的基因組區(qū)域，通過比較兩個(gè)棉花四倍體種的基因組，發(fā)現(xiàn)二者存在大量的結(jié)構(gòu)變異。兩個(gè)異源四倍體栽培種各有26對染色體，研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)棉花種的14條染色體之間存在染色體臂內(nèi)和臂間的大片段倒位現(xiàn)象，也就是說“兩個(gè)棉花種之間基因組差異很大”。
科研人員還對陸地棉和海島棉之間的遺傳導(dǎo)入系材料進(jìn)行基因組分析，鑒定了13個(gè)控制纖維品質(zhì)的遺傳位點(diǎn)，探究了遺傳位點(diǎn)的表達(dá)調(diào)控機(jī)制。
涂禮莉也向記者表示，這項(xiàng)研究為今后通過海島棉改良陸地棉的種間漸滲育種提供了參考：“也就是說，這張基因組圖解決了棉花研究人員的‘工具’問題，對加快改善棉花品質(zhì)研究的進(jìn)程具有重要意義。”
對于棉花纖維品質(zhì)的提高，人們能否在衣著上直觀感受？張獻(xiàn)龍教授舉例說，普通棉襯衣所用的面料，纖維長度一般在28毫米左右；而海島棉纖維特別細(xì)長，制作成高檔襯衣，價(jià)格不菲。“纖維如果又長又細(xì)，棉布就會薄而透氣，像絲綢一樣，品質(zhì)提高了，消費(fèi)者購買優(yōu)質(zhì)棉織品的性價(jià)比也就相應(yīng)提高了。”