两个四倍体栽培棉种种间分化的基因组解析

来源：求是风采

项目简介

 海岛棉和陆地棉两个四倍体栽培棉种起源于共同祖先种。本项目组装了染色体水平的基因组，并从基因组水平上解析了纤维发育和适应性海陆种间分化的遗传机制。

G. hirsutum and G. barbadense origin from common ancestral allotetraploid cotton species. This project reports the chromosome-scale de novo assemblies of the G. hirsutum and G. barbadense genomes, and unravels the interspecific genetic mechanisms of fiber development and stress-resistance of these two cultivated cotton species at whole genomic level.

研究团队

  图1.浙江大学棉花精准育种研究团队介绍

 团队负责人张天真教授一直从事种质创新、基因组学、植物精准育种理论与技术和棉花新品种选育，在基因组学和分子育种学等研究领域享有国际声誉。两次担任国际棉花基因组计划主席。对保持我国棉花基因组学和分子育种研究领域的国际领先地位发挥了重要的带头作用。2016年被授予Cotton Biotechnology Award。

科学解读

图2.棉花是世界上最重要的纤维作物和纺织工业原料

为了成为顶级植物纤维，它要比同类多努力10天

棉花是人类最为重要的纤维作物和纺织工业原料，每年有2500万吨棉花从农田来到工业生产线，最终成为我们的衣物、床品甚至纸币。但是这其中仅有3%的棉花被称为“棉中极品”，它们拥有更长、更强、更细的棉纤维

 这种顶级植物纤维从何而来？2019年3月18日，国际学术期刊《Nature Genetics》发表了浙江大学农业与生物技术学院张天真教授带领的国际科研团队的最新研究成果，他们分析了全世界栽培棉花的起源和种间分化遗传机制，从基因层面向人们分析了顶级植物纤维成长的“秘密”。

 长长的纤维，长长长

 棉花不是“花”，而是覆盖在种子表面的绒毛。

生物学家索尔•汉森在《种子的胜利》一书中说，棉花这样的植物“不遵循规则”。棉籽并不注重防御，而是将最外层用于传播。“飞行和漂浮成为一个巨大的进化诱因，使得每个细胞都从微小的光点变成了长长的细丝。”

 是的，一根棉纤维就是一个细胞，每根毛就是只有一个细胞的宽度，长度却有3-4厘米。这是世界上最长的单细胞之一。目前能够超越这一长度的植物单细胞只有亚麻的韧皮细胞。

 在张天真老师的实验室，我们尝试对一颗棉铃“抽丝剥茧”。胡艳老师说，棉铃在生长后期就会脱水爆裂开来，如果我们撕开缠绕的棉絮，会得到一手把干黄豆大小的黑黑的棉籽。令人惊讶的是，棉絮也是种皮不可分割的一部分，撕起来很费力，它们是从三分之一的种皮细胞凸起分化而来。据说一粒棉籽可以轻松长出两万多根纤维组成的“毛外衣”，如果按照每颗棉铃有32颗种子来计算，一颗棉铃就有50多万根纤维交织在一起，首尾相接，可以绵延30公里。

正是这种纤长柔软的纤维，赋予了棉花种子“乘风”、“破浪”的生存技能，而更为重要的是，这一优良的特性被人类捕捉，伴随着人类文明绵延数千年。棉花形成的产业塑造了帝国历史、工业革命和美国南北战争。

“纤毫”之差

追溯棉花的身世，陆地棉与海岛棉源自共同的祖先，那是一段传奇。

大约100-150万年前，一粒在热带非洲绽放的棉铃乘风而动，它轻盈的身躯飘入大海，经过数百公里的长途跋涉，一路漂到了中美洲墨西哥海岸。在那里，非洲棉与“原住民”雷蒙德氏棉相遇了，两种二倍体棉花杂交后形成了一类新的棉花：四倍体棉花。根据张天真实验室早先的研究，正是这场“跨海联姻”，造就了人类当前普遍栽培的四倍体棉花的共同祖先。

我们每个现代人都应该致敬当年那场“跨海联姻”。无论是穿的衣服、用的毛巾、床品，甚至纸币，都离不开从棉花而来的纤维。8000多年来，经过人类世代栽培驯化，四倍体棉花在全世界广泛分布，成为了全世界最主要的纤维作物，每年创造着5000多亿美元的产值。《乱世佳人》里曾描述工业革命时期美国南部的棉花种植场景：棉花就是这个地区的心跳，种棉花和收棉花是红土地的心脏舒张和收缩。”

但是，庞大的棉花家族内部数量却极端不平衡。其中陆地棉占世界棉花总产的90%以上，而海岛棉占比只有3%。前者产量高，适应性广，可以在温带广泛种植；而后者具有更优质的棉纤维：更长、更强、更细，织成衣物后呈现着柔软的丝光之地，也更有润滑的手感，是顶级奢侈品的御用纤维。

图3.陆地棉比海岛棉表现出更好的环境适应性，其秘密在于，

逆境条件下，海岛棉比陆地棉有更多逆境响应基因被激活              “努力”二字，写在基因里

一根陆地棉的纤维一般长31毫米以下，而海岛棉则有33.4~40毫米。“怎么培育出纤维更长、更细、强度更好的棉花？”在中国新疆，一家大面积栽培棉花的面料企业向科学家提出了疑问。眼前的事实是，优异特性的海岛棉是一种性情挑剔的作物，适应性不及陆地棉，因此前人的尝试多是以“南橘北枳”的结局告终。

张天真认为，要完成这项挑战，必须去“精读”棉花的基因与基因组，这样或许能帮助人类更好地进行驯化与改良。科研人员采用了NRGene公司的第三代基因组装技术，结合光学图谱、超高密度遗传图谱、Hi-C等辅助手段，组装出了陆地棉遗传标准系TM-1和我国自育的海岛棉品种Hai7124染色体水平基因组，“清晰度”与完整性前所未有。

 “染色体的着丝粒是DNA序列高度重复的区域，传统的方法容易误读或者‘漏读’，而在我们最新的研究中，这个区域完整性的提升尤为明显。”张天真介绍，他的实验室曾于2015年组装出陆地棉第一代基因组，“当时可以说是一个基因组的框架，而现在我们知道了更多的细节。”

在这张基因图谱里，科学家看懂了顶级纤维的“秘密”

   在开花当天，棉花胚珠光滑的表皮开始出现凸起，约三分之一的种皮细胞逐渐伸长，分化成为棉纤维。陆地棉纤维细胞的伸长期比海岛棉短10天左右，陆地棉大约在开花后23天以前伸长停止，而海岛棉伸长持续到开花后33天左右。“你可以这样理解，海岛棉的‘青春期’比陆地棉长，所以纤维更长”，关雪莹说 。

在电镜下，科学家给棉纤维拍了照。棉纤维的表面并不平滑，而是有周期性的螺旋，海岛棉的螺旋分布要比陆地棉更为细密，螺距更短，这可能是它更为强韧的原因。

 基因告诉科学家这些性状背后的遗传机制：棉花的种皮大约有7万多组基因，其中70%的基因都先后参与到纤维的发育中，“它们大规模地集中力量做一件事，那就是向前伸展。”张天真说。在海岛棉中，蔗糖转运、离子转运、液泡转化酶等相关基因的活跃期远远长于陆地棉。“这些物质的输送让细胞内的液泡内外产生渗透压，给予细胞一个向前伸展的力量。”胡艳说。

  海、陆基因组分析对比中，科学家还读出了陆地棉适应性强的秘密。“我们发现，陆地棉中有更多的乙烯、ABA信号被激活，这帮助植物更好的适应冷热环境，这可能与陆地棉的光适性密切相关。”张天真说。

 这或许为人类驯化更为优质、适应性的棉花打开了一扇门，将来，我们每个人或许都能拥有一件丝光、柔滑，不易起皱的长绒棉衬衫。