破解長絨棉之謎

馬亮

時至今日，雖然化纖產(chǎn)品逐漸被消費者所接受，但天然纖維仍因其優(yōu)良的特性受到熱捧，而許多化纖產(chǎn)品也在性能方面對天然纖維進行模仿。純棉衣物具有舒適度高、透氣性佳、親膚等優(yōu)點，棉花也因之成為使用最廣泛的天然纖維，我國近幾年棉花產(chǎn)量不斷下降，而優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)量更是存在巨大的缺口。如何大幅度改變棉花品質(zhì)，滿足國人對高品質(zhì)純棉衣物的需求呢？

眾所周知，棉花長度是決定棉纖維質(zhì)量的一個重要因素，長絨棉就因此而被譽為“棉中極品”，如果能夠使長絨棉的產(chǎn)量增加，就能緩解這一問題。

近日，中科院上海生科院植物生理生態(tài)研究所陳曉亞院士研究組最新克隆鑒定了一個控制棉纖維伸長的關(guān)鍵基因，在未來或能解決這一問題。

發(fā)現(xiàn)，最有價值的基因

據(jù)統(tǒng)計，全世界超過80個國家種植棉花。中國是最大的原棉生產(chǎn)國和消費國，直接從事棉紡織及相關(guān)行業(yè)的人員達到2000多萬，間接從業(yè)人員多達1億。棉紡產(chǎn)業(yè)在我國國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位，而我國每年的棉花自給率只有70%左右，高檔優(yōu)質(zhì)原棉的自給率更低，每年需進口100多萬噸優(yōu)質(zhì)原棉。

陳曉亞告訴記者，棉纖維是由棉花種子表皮細(xì)胞分化而來，是高等植物中伸長最快、合成纖維素最多的單細(xì)胞。其發(fā)育過程可分為分化與突起、迅速伸長、次生壁合成以及脫水成熟4個部分重疊的時期，其中纖維伸長和次生壁合成與品質(zhì)性狀的關(guān)系最為密切。然而到目前為止，關(guān)于棉纖維發(fā)育、尤其是纖維伸長調(diào)控的研究還相對較少。

通過關(guān)聯(lián)分析和遺傳定位，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個含有同源異型框的轉(zhuǎn)錄因子ghhox3，它與棉纖維伸長相關(guān)。

此次 “捕獲”的名為“ghhox3”的基因隱藏在棉花眾多基因中，是具有重要育種價值的棉纖維伸長基因。研究組發(fā)現(xiàn)ghhox3編碼一個轉(zhuǎn)錄因子，通過與赤霉素途徑的負(fù)調(diào)控因子della蛋白結(jié)合響應(yīng)激素信號，促進棉纖維細(xì)胞伸長，為進一步解析植物細(xì)胞伸長的分子機理、克隆棉纖維發(fā)育新基因打下了基礎(chǔ)，也為棉纖維品質(zhì)改良提供了靶標(biāo)基因。

“在棉花體中提高ghhox3的表達可以增加棉纖維長度，而抑制該基因表達則可使纖維顯著變短。”陳曉亞在試驗中發(fā)現(xiàn)， ghhox3低表達的棉纖維展開僅一厘米左右的長度，而ghhox3高表達的棉纖維長度則是低表達棉纖維的幾倍。

這意味著ghhox3在纖維伸長的過程中發(fā)揮了重要作用，左右ghhox3在棉花體中的表達就可以讓棉纖維“自如延展”。陳曉亞說：“這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的控制棉纖維長度最有價值的基因之一。”

之所以這樣說，是因為這一基因的“捕獲”不僅為將來的研究指明了方向，還連帶解決了另一個重要問題。

一直以來，俗稱“綠色革命激素”的赤霉素促進棉纖維伸長的作用機理問題困擾著不少科學(xué)家，而找到控制棉纖維長度的關(guān)鍵基因后，這一問題也就迎刃而解。

“赤霉素促進植物細(xì)胞伸長，但赤霉素促進棉纖維伸長的作用機理以往并不清楚。”陳曉亞告訴記者。

研究組為揭示植物激素赤霉素在纖維發(fā)育過程中的調(diào)控機理，在試驗中將ghhox3作為“誘餌”進行篩選，發(fā)現(xiàn)它可與同一類的另一轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，形成與棉纖維伸長相關(guān)的異源二聚體;而赤霉素途徑的負(fù)調(diào)控因子della蛋白則會與該轉(zhuǎn)錄因子“競爭”，“搶占”與ghhox3結(jié)合的“先機”，阻礙二聚體的形成。在赤霉素濃度升高時，della蛋白被迅速降解，與之“綁定”的ghhox3得以“釋放”，形成高活性的二聚體，激活下游基因的表達，促進棉纖維伸長。

據(jù)了解，相關(guān)研究論文已于近日發(fā)表在了國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》上。

未來，改良棉纖維品質(zhì)

這一研究并沒有結(jié)束，在現(xiàn)在看來，僅僅發(fā)現(xiàn)這一基因是不夠的。

“從目前來的試驗結(jié)果而言，現(xiàn)在的試驗對棉纖維的伸長效果還不是很明顯。” 陳曉亞說。

ghhox3被克隆鑒定后，研究人員可以通過試驗手段“改造”這一基因，使棉纖維受其作用，從而延長長度。除此之外，還可以通過對其進行研究，找到一系列與棉纖維長度有關(guān)的下游基因。

在這個研究組之前發(fā)表的論文中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有兩個棉花細(xì)胞壁松弛蛋白基因?qū)γ蘩w維發(fā)育具有促進作用。這次的試驗進一步證明，ghhox3可以直接結(jié)合這兩個基因啟動子上的順式元件并激活它們的表達，而細(xì)胞壁延展正是棉纖維伸長的必需條件。

而之前發(fā)現(xiàn)的兩個棉花細(xì)胞壁松弛蛋白基因，正在ghhox3眾多下游基因之中。

可以預(yù)想，在越來越多的關(guān)鍵基因被發(fā)現(xiàn)后，棉纖維長度將會普遍延長。

據(jù)相關(guān)人士推算，2014年我國長絨棉的產(chǎn)量為7萬噸左右，而國家統(tǒng)計局最新的數(shù)據(jù)顯示，2014年全國棉花總產(chǎn)量達到了616.1萬噸，種植面積4219.1公頃，優(yōu)質(zhì)棉花產(chǎn)量僅僅夠得上普通棉花產(chǎn)量的零頭，這其中的差距不可小視。而科研成果要快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也需要業(yè)界對這一問題產(chǎn)生足夠的重視。

陳曉亞說：“纖維的伸長是一個復(fù)雜的調(diào)控過程，為進一步發(fā)掘ghhox3的其他下游基因，研究組通過高通量測序技術(shù)篩選到90個差異表達的功能基因，為棉纖維品質(zhì)改良提供了一批重要候選基因。”

未來將會有更多的功能基因被挖掘，與已發(fā)現(xiàn)的90個差異表達的功能基因進行了比對。該研究組表示，今后將對這些基因做進一步選拔，盡快找出其中的關(guān)鍵基因，將研究成果應(yīng)用在培育優(yōu)質(zhì)棉上。