項目名稱：兩個四倍體栽培棉種種間分化的基因組解析
申報單位：農業與生物技術學院
負 責 人：張天真
海島棉和陸地棉兩個四倍體栽培棉種起源於共同祖先種。本項目組裝了染色體水平的基因組，並從基因組水平上解析了纖維發育和適應性海陸種間分化的遺傳機制。
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.
團隊負責人張天真教授一直從事種質創新、基因組學、植物精準育種理論與技術和棉花新品種選育，在基因組學和分子育種學等研究領域享有國際聲譽。兩次擔任國際棉花基因組計劃主席。對保持我國棉花基因組學和分子育種研究領域的國際領先地位發揮了重要的帶頭作用。2016年被授予Cotton Biotechnology Award。
為了成為頂級植物纖維，它要比同類多努力10天
棉花是人類最為重要的纖維作物和紡織工業原料，每年有2500萬噸棉花從農田來到工業生產線，最終成為我們的衣物、床品甚至紙幣。但是這其中僅有3%的棉花被稱為「棉中極品」，它們擁有更長、更強、更細的棉纖維。
這種頂級植物纖維從何而來？2019年3月18日，國際學術期刊《Nature Genetics》發表了浙江大學農業與生物技術學院張天真教授帶領的國際科研團隊的最新研究成果，他們分析了全世界栽培棉花的起源和種間分化遺傳機制，從基因層面向人們分析了頂級植物纖維成長的「秘密」。
長長的纖維，長長長
棉花不是「花」，而是覆蓋在種子表面的絨毛。
生物學家索爾•漢森在《種子的勝利》一書中說，棉花這樣的植物「不遵循規則」。棉籽並不注重防禦，而是將最外層用於傳播。「飛行和漂浮成為一個巨大的進化誘因，使得每個細胞都從微小的光點變成了長長的細絲。」
是的，一根棉纖維就是一個細胞，每根毛就是只有一個細胞的寬度，長度卻有3-4釐米。這是世界上最長的單細胞之一。目前能夠超越這一長度的植物單細胞只有亞麻的韌皮細胞。
在張天真老師的實驗室，我們嘗試對一顆棉鈴「抽絲剝繭」。胡豔老師說，棉鈴在生長後期就會脫水爆裂開來，如果我們撕開纏繞的棉絮，會得到一手把幹黃豆大小的黑黑的棉籽。令人驚訝的是，棉絮也是種皮不可分割的一部分，撕起來很費力，它們是從三分之一的種皮細胞凸起分化而來。據說一粒棉籽可以輕鬆長出兩萬多根纖維組成的「毛外衣」，如果按照每顆棉鈴有32顆種子來計算，一顆棉鈴就有50多萬根纖維交織在一起，首尾相接，可以綿延30公裡。
正是這種纖長柔軟的纖維，賦予了棉花種子「乘風」、「破浪」的生存技能，而更為重要的是，這一優良的特性被人類捕捉，伴隨著人類文明綿延數千年。棉花形成的產業塑造了帝國歷史、工業革命和美國南北戰爭。
「纖毫」之差
追溯棉花的身世，陸地棉與海島棉源自共同的祖先，那是一段傳奇。
大約100-150萬年前，一粒在熱帶非洲綻放的棉鈴乘風而動，它輕盈的身軀飄入大海，經過數百公裡的長途跋涉，一路漂到了中美洲墨西哥海岸。在那裡，非洲棉與「原住民」雷蒙德氏棉相遇了，兩種二倍體棉花雜交後形成了一類新的棉花：四倍體棉花。根據張天真實驗室早先的研究，正是這場「跨海聯姻」，造就了人類當前普遍栽培的四倍體棉花的共同祖先。
我們每個現代人都應該致敬當年那場「跨海聯姻」。無論是穿的衣服、用的毛巾、床品，甚至紙幣，都離不開從棉花而來的纖維。8000多年來，經過人類世代栽培馴化，四倍體棉花在全世界廣泛分布，成為了全世界最主要的纖維作物，每年創造著5000多億美元的產值。《亂世佳人》裡曾描述工業革命時期美國南部的棉花種植場景：棉花就是這個地區的心跳，種棉花和收棉花是紅土地的心臟舒張和收縮。」
但是，龐大的棉花家族內部數量卻極端不平衡。其中陸地棉佔世界棉花總產的90%以上，而海島棉佔比只有3%。前者產量高，適應性廣，可以在溫帶廣泛種植；而後者具有更優質的棉纖維：更長、更強、更細，織成衣物後呈現著柔軟的絲光之地，也更有潤滑的手感，是頂級奢侈品的御用纖維。
圖3.陸地棉比海島棉表現出更好的環境適應性，其秘密在於，
逆境條件下，海島棉比陸地棉有更多逆境響應基因被激活
「努力」二字，寫在基因裡
一根陸地棉的纖維一般長31毫米以下，而海島棉則有33.4~40毫米。「怎麼培育出纖維更長、更細、強度更好的棉花？」在中國新疆，一家大面積栽培棉花的面料企業向科學家提出了疑問。眼前的事實是，優異特性的海島棉是一種性情挑剔的作物，適應性不及陸地棉，因此前人的嘗試多是以「南橘北枳」的結局告終。
張天真認為，要完成這項挑戰，必須去「精讀」棉花的基因與基因組，這樣或許能幫助人類更好地進行馴化與改良。科研人員採用了NRGene公司的第三代基因組裝技術，結合光學圖譜、超高密度遺傳圖譜、Hi-C等輔助手段，組裝出了陸地棉遺傳標準系TM-1和我國自育的海島棉品種Hai7124染色體水平基因組，「清晰度」與完整性前所未有。
「染色體的著絲粒是DNA序列高度重複的區域，傳統的方法容易誤讀或者『漏讀』，而在我們最新的研究中，這個區域完整性的提升尤為明顯。」張天真介紹，他的實驗室曾於2015年組裝出陸地棉第一代基因組，「當時可以說是一個基因組的框架，而現在我們知道了更多的細節。」
在這張基因圖譜裡，
科學家看懂了頂級纖維的「秘密」
在開花當天，棉花胚珠光滑的表皮開始出現凸起，約三分之一的種皮細胞逐漸伸長，分化成為棉纖維。陸地棉纖維細胞的伸長期比海島棉短10天左右，陸地棉大約在開花後23天以前伸長停止，而海島棉伸長持續到開花後33天左右。「你可以這樣理解，海島棉的『青春期』比陸地棉長，所以纖維更長」，關雪瑩說 。
在電鏡下，科學家給棉纖維拍了照。棉纖維的表面並不平滑，而是有周期性的螺旋，海島棉的螺旋分布要比陸地棉更為細密，螺距更短，這可能是它更為強韌的原因。
基因告訴科學家這些性狀背後的遺傳機制：棉花的種皮大約有7萬多組基因，其中70%的基因都先後參與到纖維的發育中，「它們大規模地集中力量做一件事，那就是向前伸展。」張天真說。在海島棉中，蔗糖轉運、離子轉運、液泡轉化酶等相關基因的活躍期遠遠長於陸地棉。「這些物質的輸送讓細胞內的液泡內外產生滲透壓，給予細胞一個向前伸展的力量。」胡豔說。
海、陸基因組分析對比中，科學家還讀出了陸地棉適應性強的秘密。「我們發現，陸地棉中有更多的乙烯、ABA信號被激活，這幫助植物更好的適應冷熱環境，這可能與陸地棉的光適性密切相關。」張天真說。
這或許為人類馴化更為優質、適應性的棉花打開了一扇門，將來，我們每個人或許都能擁有一件絲光、柔滑，不易起皺的長絨棉襯衫。
轉自——
《為了成為頂級植物纖維，它要比同類多努力10天》，浙江大學學術委員會公眾號「求是風採」2019年3月21日報導。
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