“棉花是唯一果實被稱作花的植物，既可在春季種植，也可在麥后的夏季種植。它是上世紀八九十年代我國農(nóng)民最重要的經(jīng)濟來源之一。”論文第一作者、華中農(nóng)大棉花遺傳改良團隊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”。論文通訊作者張獻龍告訴記者，目前，我國所產(chǎn)原棉95%來源于陸地棉，“它適應性強、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、強和抗黃萎病等優(yōu)良性狀，但適應性差，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”，張獻龍說，長期以來，科學界很少有研究剖析這些性狀改變的遺傳學基礎。“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，實現(xiàn)又長、又細、又強，并保證產(chǎn)量，課題組提出一個設想，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》。當時，他們從DNA水平上，對已有育種工作進行了總結(jié)和全面分析，摸清了一些關(guān)鍵基因位點，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見性。
“一個團隊”與“一朵棉”
張獻龍團隊所在的華中農(nóng)大，其棉花研究可追溯至20世紀30年代。以楊顯東、孫濟中等教授為代表的學者帶領(lǐng)出一代代棉花研究團隊。
1985年，22歲的張獻龍在孫濟中教授的指導下開始棉花生物技術(shù)研究，并專注應用于棉花遺傳改良。
1998年，張獻龍接棒成為棉花團隊“掌門人”，他開始組建團隊，并帶領(lǐng)團隊從資源創(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、基因組解析進行棉花育種技術(shù)創(chuàng)新。
此外，張獻龍將現(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)展提供了強有力支撐。
張獻龍始終瞄準國際前沿，不急不躁，潛心科研，帶領(lǐng)團隊終于掌握了成熟的棉花細胞培養(yǎng)技術(shù)體系，創(chuàng)造了多項國際第一：首個從雷蒙地棉、克勞茨基棉等野生棉細胞獲得再生植株，首次從克勞茨基棉等野生棉原生質(zhì)體再生植株。
在此基礎上，通過集合遠緣雜交、細胞工程和常規(guī)育種評價等技術(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)團隊培育了“華雜棉1號”等9個棉花新品種，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步獎二等獎1項，省部一等獎2項，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)大棉花遺傳改良團隊王茂軍博士介紹，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)大棉花遺傳改良團隊長期堅持的目標。
“盡管我們已從海島棉中克隆了一系列功能基因，但這兩個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。
為了得到精細的基因組序列，他們利用第三代測序技術(shù)、光學圖譜技術(shù)和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)捕獲技術(shù)進行聯(lián)合組裝。
與此前最新發(fā)表的基因組草圖相比，這項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。
張獻龍認為，這項研究成功組裝了高度重復的基因組區(qū)域，通過比較兩個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。兩個異源四倍體栽培種各有26對染色體，研究發(fā)現(xiàn)，兩個棉花種的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入系材料進行基因組分析，鑒定了13個控制纖維品質(zhì)的遺傳位點，探究了遺傳位點的表達調(diào)控機制。
涂禮莉也向記者表示，這項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長，制作成高檔襯衣，價格不菲。“纖維如果又長又細，棉布就會薄而透氣，像絲綢一樣，品質(zhì)提高了，消費者購買優(yōu)質(zhì)棉織品的性價比也就相應提高了。”