棉花是如何演變而來的?棉花為何會發育出纖維?
棉花是如何演變而來的?棉花為何會發育出纖維,合成棉酚?……
日前, 由中國農業科學院棉花研究所、深圳華大基因研究院和北京大學等多家單位合作完成的二倍體棉花雷蒙德氏棉基因組圖譜繪制完成。棉花基因的演變、纖維起始、棉酚等重要物質的合成等終于有了初步的答案、解釋的基礎。
為啥要選擇雷蒙德氏棉?
為什么選擇雷蒙德氏棉來進行研究以及全基因組圖譜的繪制?
棉花基因組學研究團隊的科研人員告訴記者,已有的研究表明,雷蒙德氏棉是如今陸地棉祖先的兩個供體種之一,共有13條染色體。目前全世界栽培的棉種主要是四倍體的陸地棉和海島棉。其中,所種植的棉花95%以上屬于陸地棉。因此,雷蒙德氏棉的全基因組圖譜的完成對陸地棉基因組的測序意義十分重要;作為第一個被解析的棉花基因組,也為研究陸地棉基因組的結構特點奠定了良好的數據基礎。
棉花基因組學研究團隊采用了全基因組鳥槍法結合新一代的高通量DNA測序技術,科研人員以雷蒙德氏棉純系為材料,對雷蒙德氏棉進行了全基因組測序,獲得了其87.7%的全基因組序列,通過比較基因組以及進化分析發現,雷蒙德氏棉與可可樹屬于同一分支,二者可能是在3300多萬年前發生了分化。
中國工程院院士、中國農業科學院副院長劉旭表示,雷蒙德氏棉基因組圖譜繪制完成標志著我國棉花基因組學研究達到國際領先位置。為我國棉花重要功能基因的挖掘與利用,乃至全基因組設計育種提供了前所未有的機遇。
棉花是怎樣進化而來的?
棉花發展到今天,經歷了怎樣的進化歷程?
科研人員通過對雷蒙德氏棉與可可樹旁系同源基因的分析發現,雷蒙德氏棉約在1300―2000萬年前經歷了一次全基因組復制事件。這次復制事件很可能不是雷蒙德氏棉的第一次基因復制,早在約1億多年前,雷蒙德氏棉就可能經歷了一次基因組復制事件。這些研究結果有利于人類認識古雙子葉植物基因組的復制機制。
經過雷蒙德氏棉基因組自身比對后,科研人員共鑒定出了2355個共性區域,并發現約有40%的旁系同源基因出現在不止一個共性區域,這表明了雷蒙德氏棉基因組在進化過程中可能經歷過大量的染色體重排事件。
棉花是全球最重要的經濟作物之一。它的纖維,俗稱皮棉,是紡織工業主要的天然原料。全世界棉花種植面積約5億畝,我國常年種植面積近8千萬畝。棉花還是一種研究多倍體化、細胞伸長和細胞壁生物合成極好的模式系統。
棉花為何會發育出如此優良的纖維?
棉花纖維是已知纖維中純度最高的天然資源,為什么棉花會長出如此優良的纖維來?
研究發現,雷蒙德氏棉開花后3天,其蔗糖合成酶、1-氨基環丙烷-1-羧酸氧化酶、3-酮脂酰-CoA合成酶等基因的表達量明顯低于陸地棉,這暗示了上述這些基因在棉花纖維的起始和伸長過程中有著至關重要的作用。
同時,由于棉花纖維細胞是由胚珠外珠被表皮細胞分化發育而成的單細胞,其發育可分為起始、伸長、次生壁沉積、脫水成熟期等四個相互區分又有所重疊的時期;由于其發育具有高度的一致性和均一性,而且成熟的纖維細胞具有極度伸長的形態(纖維細胞長度與其直徑的比例可達1000―3000倍),使得棉花纖維細胞成為研究植物細胞伸長和膨大的良好實驗體系。
研究還發現,雷蒙德氏棉基因組注釋結果中共有2706個轉錄因子,其中大量的MYB和bHLH轉錄因子在棉花開花后0天和3天的胚珠中表現出來,暗示著這些基因有可能是早期纖維發育所必需的。
■連線專家
中國工程院院士、中國農業科學院棉花研究所所長喻樹迅
棉花育種有望實現基因組水平上的分子設計
自2008年以來,棉花全基因組測序成為棉花基礎研究領域的熱點問題。下一步要在該成果基礎上開發出快捷分子育種工具,實現基因組水平上的棉花分子設計育種,培育出高產、高質、抗病抗旱的棉花優良新品種。
分子輔助設計育種和常規育種相結合是未來作物育種研究的必然發展方向,建立在基因組學研究基礎上的分子輔助設計育種,因分子標記數量巨大、且不受基因表達時間、顯隱性關系和環境條件的影響,大大提高了育種選擇的準確性,縮短了育種周期,提高了選擇效率。從最重要的糧食作物――水稻基因組計劃開始,到家蠶、家雞、家豬、大豆、玉米、小麥、棉花、白菜、馬鈴薯、西紅柿、谷子等一系列重要農業物種基因組計劃正在開展和完成。
在全球氣候劇烈變化、耕地資源不斷減少、溫室效應日益加劇的背景下,大力培育和推廣產量高、品質好、環境友好型的作物新品種,將有助于提高土地利用率,增加作物產量。 {page_break}
■延伸閱讀
研究人員發現棉酚合成關鍵基因 棉籽將成食物資源
棉花不但是重要的纖維和油料植物,而且是重要的植物蛋白來源。在食用油中,棉籽油的亞油酸含量最高,達到55.6%。除此以外,棉花種子中還含有極為豐富的蛋白質和脂肪等物質,棉籽榨油后的棉籽粉蛋白質高達45%―50%,遠勝過大米、小麥,甚至超過花生、大豆的蛋白質含量。然而,由于一般栽培棉品種的種子和植株具有色素腺體,而色素腺體中含有的棉酚及其衍生物對人和單胃動物有毒,棉酚是棉屬植物特有的化合物,這直接制約了棉籽作為食物資源的開發和利用。
于是,科研人員通過與葡萄、大豆、可可、擬南芥番木瓜、蓖麻、楊樹、水稻等植物比較,發現在棉花和可可基因組中存在著一類特有的杜松烯合成酶基因家族,該家族是棉酚合成途徑上的關鍵酶,是參與棉酚生物合成的關鍵步驟。這一發現解析了棉酚合成的基因起源和演化,使科學家們今后可以利用基因工程技術來改良或降低棉籽中的棉酚含量,那么,棉籽應用于食物資源有望成為現實。
■相關新聞
今年棉花預計減產30萬噸
國家發改委透露,預計2012年全國棉花實際產量690萬噸左右,比上年減少30萬噸,減幅4.2%。
國家發改委預計,2012年度中國棉花需求較為平穩,在臨時收儲政策有力支撐下,通過有效利用國際市場資源和儲備調節,能夠保持國內棉花供求總量基本平衡和市場平穩運行。同日,國家發改委副主任張曉強透露,預計2012年全國棉花實際產量690萬噸左右,比上年減少30萬噸,減幅4.2%。棉花減產的原因包括“受種棉比較收益下降、生產成本大幅上升等因素影響”。
另據國家發改委網站消息,2013年糧食、棉花進口關稅配額量已確定,分別為:小麥963.6萬噸,國營貿易比例90%;玉米720萬噸,國營貿易比例60%;大米532萬噸,國營貿易比例50%;棉花89.4萬噸,國營貿易比例33%。各項配額和上年持平。
中部首個棉花現貨交易平臺將試運營
我國中部首個棉花現貨交易平臺――中國(天門)棉花交易中心將于今年年底投入試運營。屆時,湖北省棉花產業和棉農都將受益于這個交易平臺帶來的物流、交易成本的降低。
據介紹,中國(天門)棉花交易中心依托湖北豐沛的棉花資源,由卓爾控股、天門市、中儲棉三方合作投資60億元。該交易中心擁有40萬平方米、全國最大的棉花倉儲中心,年棉花存儲容量80萬噸,相當于全國年產量的12%。
預計該交易中心將在年底前投入運營,交易規模可達200億元,屆時將有力推動湖北省棉花產業的發展。
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