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[前沿资讯 ] 研究发现抗坏血酸合成基因能提高棉花耐碱性 进入全文
中工网
近日，中国农科院棉花研究所棉花功能基因组创新团队开展碱胁迫下棉花的应激响应机制研究，发现GhGLDH35A基因通过调控抗坏血酸的合成和维持细胞内的活性氧稳态来调控棉花对碱的抗性，为棉花耐碱胁迫分子机理研究提供了新依据。 相关研究结果日前在线发表在《高级研究期刊（JournalofAdvancedResearch）》上。 据介绍，抗坏血酸是植物体内重要的水溶性抗氧化剂，能清除活性氧并作为酶辅因子，通过维持氧化还原平衡、保护细胞膜完整性及激活抗氧化系统等，增强植物对干旱、盐碱等胁迫的耐受能力。 该研究挖掘到抗坏血酸合成的关键基因GhGLDH35A，发现该基因在碱胁迫下表达量显著增加，并通过调控抗坏血酸的合成，维持细胞内的活性氧稳态，从而减轻碱胁迫对棉花的损害。此外，该基因还能够调控气孔运动，减少水分散失，提高棉花的光合作用效率。 该研究结果为解析棉花耐碱机制提供了新视角，并为耐碱棉花的育种提供了重要的理论基础和基因资源。研究得到国家生物育种重大项目、中国农科院科技创新工程、国家现代农业产业技术体系和国家盐碱地综合利用技术创新中心核心攻关团队等项目资助。
[前沿资讯 ] 脑洞大开！用棉花生产虾青素，真的可以有 进入全文
中国科学报
近日，中国农业科学院棉花研究所、西部农业研究中心棉花分子遗传改良创新团队研究员杨作仁与中国农业科学院生物技术研究所研究员柳小庆合作创制了生产虾青素的工程棉花，为提高棉花附加值提供了新方向，对提高棉花综合利用具有重要意义。相关研究成果发表在《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）上。 据文章通讯作者杨作仁介绍，棉花作为全球最重要的天然纤维作物，其研究长期聚焦于纤维品质与产量提升。然而，纤维仅占棉花生物总量的20%，其余80%为棉籽、叶片、棉铃等副产物。研究表明，这些副产品中含有丰富的萜类、黄酮和脂肪酸等高值功能组分，但因缺乏深度开发导致资源利用率不足。 植物合成生物学的发展为解决以上问题提供了新途径。虾青素作为自然界中的强抗氧化剂，目前已广泛应用于食品、饲料、制药和化妆品领域。然而，微藻中天然虾青素的产量有限，而化学合成虾青素的生物活性较低。由于植物中因含有丰富的虾青素合成前体，已被认为是合成虾青素的理想底盘。 该研究以棉花品种“中棉49”为受体材料，通过跨物种引入莱茵衣藻来源的β-胡萝卜素酮化酶CrBKT和雨生红球藻来源的β-胡萝卜素羟化酶HpBHY编码基因模块，重建虾青素合成通路，培育出工程棉花。 该棉花植株在幼苗期和成熟期的叶片、花器官、棉铃、棉籽及棉籽油中均呈现虾青素的特征性红色，且不同组织中虾青素积累呈现梯度分布：叶片含量最高（61.03mg/kg鲜重），棉铃壳次之（7.03-9.28mg/kg鲜重），可用于开发动物饲料添加剂（替代人工色素）或抗氧化提取物；棉籽、棉籽油中虾青素含量分别为823μg/kg、410μg/kg，可用于开发天然功能性保健食用油。 该研究实现了棉花植株多组织同步合成虾青素，标志着棉花从“白色纤维经济”向“红色生物工厂”的战略转型，为推动棉花从“单一产出”到“多功能高值化”双收益体系开发开辟新途径。同时，在理论层面为开发新型功能型棉花提供了依据和技术路径。 该研究获得生物育种国家科技重大专项、新疆维吾尔自治区重大科技专项及中央级公益性科研院所基本科研业务费专项等项目资助。中国农科院生物所苗丽青博士和中棉所助理研究员徐雅梦为论文共同第一作者，中棉所助理研究员马淑雅、柳小庆和杨作仁为通讯作者。
[前沿资讯 ] Nature Communications | 浙江大学棉花精准育种团队首次绘制全球棉花功能基因变异的单倍型图谱 进入全文
浙江大学农业生物技术学院
近日，浙江大学农学院棉花精准育种团队在Nature Communications上发表了题为“Reveal genomic insights into cotton domestication and improvement using gene level functional haplotype-based GWAS”的研究论文，研究围绕基因这一关键生物学元件中的遗传变异，创新性地开发出基于基因水平的功能单倍型变异（Functional haplotype，FH）标记，首次绘制了全球棉花功能基因变异的单倍型图谱。研究结果为解析棉花驯化与改良的遗传机制提供了突破性的工具，对作物高效精准育种具有重要意义。 突破传统GWAS限制，精准定位功能基因。传统GWAS依赖单核苷酸多态性（SNP）标记，易受基因组复杂结构和连锁不平衡干扰，导致候选区间冗长、因果基因难以锁定。本研究提出的功能单倍型标记策略，通过整合基因内所有非同义突变信息，将离散的基因组变异转化为反映蛋白质序列及功能差异的“基因单倍型”，实现农艺性状与功能基因的直接关联。这一方法成功将遗传分析对象从单核苷酸多态性变异转变为基因类型变异，在3724份棉花种质中定位到532个具有显著育种潜力的关键基因（Quantitative trait genes，QTGs），极大提升了基因挖掘的精准度。基于FH的GWAS分析结果，通过CRISPR-Cas9基因编辑技术验证了关键基因GhFAH1的生物学功能，证实其缺失可显著改良包括纤维长度、强度、细度与伸长率在内的纤维品质表现。结合转录组数据，FH标记进一步揭示了基因表达与表型的动态关联，为多性状协同改良提供了理论依据。 跨群体高效解析，揭示作物驯化改良的遗传足迹。FH标记在基因水平精准追踪野生种、地方品种与现代品种间的基因流动与选择信号。研究通过分析全球3724份棉花种质（涵盖野生种、半野生种、地方品种及现代栽培品种），首次绘制了棉花基因多样性的全景图谱，揭示了人工选择对纤维品质、产量等性状的关键优异基因的定向驯化规律。此外，基于FH标记成功捕捉到美洲早期品种及现代棉花育种史上基因交流的“热点事件”，为追溯品种改良路径提供了分子证据。 多组学验证驱动育种应用，助力智能设计育种。基因功能单倍型分析策略可直接对接“育种5.0”智能设计体系，结合传统SNP-GWAS、FH-GWAS及相关组学验证，通过生物大数据与人工智能深度挖掘优势单倍型和优异基因，实现从基因到品种的精准设计优化。 浙江大学张天真教授为论文通讯作者，浙江大学博士研究生齐国安，博士后李宜谦，博士研究生张婉莹为论文共同第一作者，浙江大学农学院助理研究员韩泽刚，农学院胡艳教授，方磊教授，博士后玄丽莎，博士研究生陈锦文，陈瑞等参与了该研究。该项目得到新疆生产建设兵团重点研发项目，国家自然科学基金面上项目和中央高校基本科研业务自主创新重点项目支持。
[前沿资讯 ] Nature Communications | 海岛棉高质量图泛基因组首发 进入全文
华中农业大学植物科学技术学院
近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室张献龙院士团队联合国内外多家科研机构，在国际权威期刊 Nature Communications 上发表了题为“Pangenome analysis reveals yield- and fiber-related diversity and interspecific gene flow in Gossypium barbadense L.”的研究论文。该研究通过从头组装12个野生-驯化连续体的海岛棉基因组，构建了首个海岛棉高质量泛基因组，并解析了其纤维品质和产量相关性状的遗传变异及种间渐渗现象。研究成果鉴定出棉花纤维产量与品质遗传改良的关键基因位点，提供了丰富的遗传资源，为海岛棉同步提升产量与纤维品质提供了新思路。 海岛棉（Gossypium barbadense L.）拥有世界顶级的纤维品质，其纤维以长度长、韧性强、光泽度高、垂感好等特点著称，是纺制精、细、薄高端棉纺织品的必备原料。然而，海岛棉因适应性差且产量低，导致市场长期供不应求，我国优质棉长期依赖进口。为破解这一瓶颈问题，团队前期已构建了海岛棉基因组草图（Yuan et al., 2015）和参考基因组（Wang et al., 2019），并解析了其变异图谱（Yuan et al., 2021）。为进一步探究海岛棉的遗传多样性并鉴定其优异纤维品质的遗传位点，本研究在前期构建的四倍体棉花系统发生树（Yuan et al., 2021）基础上，筛选出12份涵盖野生-驯化连续体的海岛棉种质资源，包括7份源自起源地附近的原始种质、2份来自加勒比海地区的农家种及3份广泛种植的栽培种。利用HiFi测序技术，研究团队完成了这12份海岛棉高质量基因组的从头组装。 研究团队对12个从头组装的和5个先前发表的海岛棉基因组开展泛基因组研究。泛基因组的尺寸大小排列组合数据显示，14个基因组就包含99%以上的基因家族，且基因家族数量增长曲线几乎趋于平稳。这表明这17个海岛棉材料不仅具有代表性，而且在总体上较为完整。 高质量的基因组为识别大尺寸结构变异提供遗传资源。通过比较基因组共鉴定到129,673个海岛棉的非冗余结构变异和350,995个四倍体棉花的非冗余结构变异。利用结构变异解析海岛棉的种间渐渗发现，海岛棉在加勒比海地区与陆地棉发生了广泛的种间渐渗，但仅有少量的渐渗保留到海岛棉的栽培种中。例如，一个位于开花基因FLK下游的结构变异起源于陆地棉，在加勒比海地区渐渗到海岛棉农家种，并遗传至现代海岛棉栽培种。该结构变异为“海岛棉在加勒比海地区通过与陆地棉种间杂交获得光周期中性性状”的猜测提供了证据。 该研究通过构建图形泛基因组和开展SV-GWAS分析，鉴定到4个纤维长度、3个纤维强度和7个衣分的海岛棉遗传位点。在探究这些位点优异等位变异的起源时发现，三个纤维品质的有利等位变异组合(FL2/FS1+FL4/FS2+FS3)通过选择和种间渐渗的方式结合在新疆新海棉中，改良了新海棉的纤维品质；三个衣分的有利等位变异组合(LP1+LP2+LP3)通过种间杂交聚合在Pima S1，并遗传给美国皮马棉，这是皮马棉产量高的原因之一。通过解析海岛棉纤维品质和产量的遗传构成发现，所有衣分位点的有利等位变异均与纤维品质显著负相关，这表明海岛棉的衣分和纤维品质间存在权衡关系；相反，三个与纤维品质相关位点的优异等位变异(FL1、FL3和FL4/FS2)可在不影响海岛棉衣分的前提下进一步改良纤维品质，其中FL4/FS2已经被应用于新海棉的纤维品质改良，而FL3的优异等位变异在海岛棉群体的频率较低，尚未被充分利用。因此，未来可以通过种间杂交方式将FL3的优异等位变异整合至新海棉中，实现海岛棉纤维产量和纤维品质的同步改良。 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士生孟庆营为该论文的第一作者，袁道军副教授为通讯作者。华中农业大学棉花团队张献龙院士、金双侠教授、林忠旭教授和王茂军教授，新疆农业大学陈全家教授，新疆农业科学院棉花研究所孔杰研究员，石河子大学聂新辉教授，美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授和美国农业部作物种质资源研究中心主任Joshua A. Udall等参与了该研究。该研究得到了国家重点研发计划、新疆自治区杰出青年基金、国家科技创新2030重大项目、华中农业大学自主创新基金和新疆人才发展基金XL等的资助。
[学术文献 ] Functionally differentiated GL2-interacting-repressor 1 homoeologs regulate epidermal hair development of Gossypium hirsutum 进入全文
PLANT PHYSIOLOGY
Cotton (Gossypium. spp) stem trichomes and seed fibers are unicellular epidermal hairs regulated by relevant molecular networks. Genetic analysis of the glabrous stem landrace (Palmeri37) of Gossypium hirsutum L. has pinpointed GL2-interacting-repressor 1 (GhGIR1D), featuring a RING-like zinc finger domain, as the candidate gene underlying the stem glabrous trait. Overexpressing and silencing experiments confirm GhGIR1D as a negative regulator specifically for stem trichome initiation, without influencing leaf trichome or seed fiber. High endogenous expression of GhGIR1D is associated with a SNP-573 T/G variation within the promoter region, and GhGIR1D Hap I confers the absence of stem trichomes. The homoeologous protein, GhGIR1A, inhibits trichome and fuzz fiber initiation by disrupting the GhHD1D-GhHOX3A module (a complex of 2 Homeodomain-Leucine Zipper IV transcription factors, HD-ZIP IV), and repressing downstream transcription of GhRDL1. Trichome density was enhanced in GhHD1A overexpression transgenic lines but reduced in ghhd1a mutants, demonstrating the positive regulatory role of GhHD1A on stem trichome initiation. GhHD1 displays distinct effects on stem trichome and fuzz fiber initiation due to its tissue-specific dosage. In the ghhd1a mutants, repression of GhGIR1D restores the wild-type pubescent phenotype, suggesting the presence of a potential negative feedback loop between GhGIR1D and GhHD1A, or that GhGIR1D and GhHD1A may function within the same regulatory pathway with opposite functions in regulation of trichome development. These findings enhance our comprehension of the GhGIR1-GhHD1-GhHOX3 interaction module in epidermal hair initiation and development. Functionally differentiated GL2-interacting-repressor 1 homoeologs interact with 2 Homeodomain-Leucine Zipper IV transcription factors to regulate cotton epidermal hair initiation and development in Gossypium hirsutum.
[前沿资讯 ] 研究发现增强棉花体细胞胚胎发生的基因可变剪切 进入全文
中国科学报
近日，中国农业科学院棉花研究所棉花优质育种团队研究发现GhLSM1B基因的一个可变剪切可以加速棉花愈伤组织增殖，并改变体细胞胚胎发生过程中的细胞形态，为提高棉花遗传转化效率提供了新思路。相关研究成果发表在《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）上。 体细胞胚胎发生是体细胞经历去分化和再分化形成胚胎进而发育成完整植株的过程。提升棉花的关键性状通常依赖农杆菌介导的遗传转化与体细胞胚胎发生再生体系，该体系目前存在周期长、转化效率低、胚胎发育不同步和适用品种有限等问题。 该研究鉴定出棉花GhLSM1B基因的可变剪接GhLSM1BS，定位于细胞核。过表达该可变剪切可加速棉花愈伤组织增殖并改变体细胞胚胎发生过程中的细胞形态，同时伴随与油菜素内酯生物合成相关的基因家族的表达模式改变和油菜素内酯含量升高。 该研究表明，GhLSM1BS能促进棉花早期体细胞胚胎发生，并通过调控油菜素内酯生物合成通路发挥作用。该研究成果为提高遗传转化效率、加速棉花分子育种进程提供了新思路。 该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程等项目的支持。
