科技日報記者 吳純新 通訊員 蔣朝常
3月17日，記者從華中農(nóng)業(yè)大學(xué)獲悉，該校棉花遺傳改良團(tuán)隊(duì)在國際植物學(xué)雜志《植物生理學(xué)》上刊發(fā)了最新研究論文，解析了一個海島棉和陸地棉種間雜交獲得的紅色植株突變體的遺傳機(jī)制，并利用纖維特異啟動子將該基因在纖維中特異表達(dá)，獲得棕色纖維棉花。這項(xiàng)研究賦能一個普通基因，使其發(fā)揮“特殊”功能，開辟一個創(chuàng)造彩色棉花的新途徑。
受訪者供圖
棉花作為最主要的天然纖維原料，彩色棉是纖維與色素結(jié)合體。天然彩棉可以減少印染過程中能源消耗與環(huán)境污染，在碳中和大背景下，與綠色節(jié)能的生產(chǎn)、消費(fèi)理念更加契合，也是拓展棉花產(chǎn)業(yè)價值的重要方向。
目前，天然彩棉以棕色和綠色為主，拓展新的彩色棉種質(zhì)資源是培育彩色棉新品種亟待解決的問題。
據(jù)介紹，在實(shí)驗(yàn)室前期研究中，研究人員在海島棉3-79與陸地棉E22雜交后代中發(fā)現(xiàn)了一個紅株突變體。突變體全株呈現(xiàn)紫紅色，但成熟纖維依舊保持正常白色。經(jīng)過9代連續(xù)自交后，得到純合突變體（ReS9）。
受訪者供圖
研究團(tuán)隊(duì)利用ReS9與E22構(gòu)建含1899株F2隱性單株的群體，通過圖位克隆，將候選基因鎖定在D07（D亞基因組上第7號染色體）號染色體上。通過代謝路徑分析，表達(dá)量檢測與TA克隆，最終確定候選基因?yàn)镸YB113類的轉(zhuǎn)錄因子，命名為Re。
該研究利用35S（基因的啟動子）啟動子驅(qū)動Re轉(zhuǎn)化Jin668，在組織培養(yǎng)各個時期均觀察到明顯的花青素積累，得到葉片不同程度紅色轉(zhuǎn)化系，但最終成熟的纖維依舊為白色。
套袋實(shí)驗(yàn)證明突變體中Re的表達(dá)受自然光的誘導(dǎo)。利用突變體、35S啟動子超表達(dá)系以及纖維特異表達(dá)系在自然光和溫室兩種條件下的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了陸地棉中參與色素代謝的核心基因集，并初步構(gòu)建Re參與的色素代謝網(wǎng)路。
該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，PIF4可能是Re響應(yīng)自然光的因子，Re可以直接調(diào)節(jié)類黃酮代謝路徑下游ANS和UFGT的表達(dá)，從而影響PA與花青素積累。
通過纖維特異表達(dá)啟動子GbEXPA2的驅(qū)動，研究團(tuán)隊(duì)成功得到在開花后5至10天的纖維中高量特異表達(dá)Re的轉(zhuǎn)化材料，并獲得植株正常綠色而發(fā)育中的纖維呈紫紅色的轉(zhuǎn)化系。
隨著纖維發(fā)育，紫紅色逐漸變淺，最終成熟纖維呈現(xiàn)出不同程度深淺的棕色。通過檢測纖維中原花色素（PA）與花青素的含量后發(fā)現(xiàn)，PA的大量積累是成熟纖維呈棕色的主要原因。
該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為彩棉研究提供了新思路，為創(chuàng)制更多顏色的棉花纖維奠定基礎(chǔ)。如何保持花青素在纖維中穩(wěn)定積累，以及協(xié)調(diào)PA等其它代謝物的積累，可能是創(chuàng)制彩色纖維棉花的突破口。
據(jù)悉，該校作物遺傳改良團(tuán)隊(duì)林忠旭教授為上述論文通訊作者，博士生汪念為第一作者，團(tuán)隊(duì)帶頭人張獻(xiàn)龍教授參與了該研究，團(tuán)隊(duì)涂禮莉教授提供纖維特異啟動子。本研究受到國家轉(zhuǎn)基因生物育種重大專項(xiàng)資助。
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