表觀遺傳改良棉

申燕紅

于棉花價格下滑和氣候變幻化莫測等因素，美國棉農(nóng)舉步維艱。得州州立大學奧斯汀分校的一項新研究則可能為美國棉花產(chǎn)業(yè)帶來曙光。研究的初步成果是：通過一個表觀遺傳改良過程，培育出品質(zhì)更優(yōu)、產(chǎn)量更高的棉花。

該研究由美國得克薩斯州農(nóng)工大學和中國南京農(nóng)業(yè)大學分子生物科學系植物分子遺傳學專家教授——陳增建先生（Z Jeffrey Chen）帶領的科學家團隊聯(lián)合實施，受美國國家科學基金和中國國家自然科學基金資助，其成果已發(fā)表在中國《基因組生物學》雜志上。

此項研究基于近幾十年的研究成果。在此之前，科學家就已發(fā)現(xiàn)：生物的諸多性狀不僅受其基因的控制，也受除DNA以外的外界演化過程控制。而這種決定基因可識別與否、識別時間和數(shù)量的過程則屬于表觀遺傳學的范疇。這一發(fā)現(xiàn)，為探索生物的全新培育方法提供了可能性。育種者可通過有選擇地控制基因識別的開啟和關閉，在未改變基因的情況下，培育出新品種。

在該項研究中，研究人員從野生棉花和經(jīng)過人工培育的棉花中，識別出超過500種經(jīng)過表觀遺傳改良的基因。其中一些基因與人們已知的農(nóng)藝和馴化特征有關聯(lián)，這些基因信息有助于選擇所需改變的性狀，進行識別性遺傳改良。例如可通過此技術，使纖維實現(xiàn)增產(chǎn)或具有抗旱、耐熱或抗蟲害的特性。又如，野生棉花品種可能攜帶抗旱基因，但在人工培育的棉花上表觀遺傳處于未表達狀態(tài)，而通過此技術，就能使已馴化的棉花更具抗旱特性。

專家表示，將兩種方法結合在一起，既能增加對表觀遺傳的認識，又將有利于表觀遺傳育種對遺傳育種方法進行補充。由于已知表觀遺傳變化如何影響開花和應激反應，育種者就可重新激活已在人工培育的棉花中應激反應基因。

在該研究團隊發(fā)現(xiàn)在試驗中產(chǎn)生了一種“甲基”，即DNA甲基化。這種甲基化就是一系列通過自然的閉合過程，使遺傳基因開啟或關閉的因素。甲基化為那些想通過表觀遺傳改良技術改良物種的生物科技公司提供了重要線索。這種甲基化涵蓋了最為廣泛種植的棉花品種，包括陸地棉和美國棉，也包括近親品種如皮馬或埃及棉，以及野生近緣種。從甲基化中可看出這些植物在100萬年的時間里的表觀遺傳變化。

獲知進化和人工培育過程中甲基化的改變將有助于進一步推動表觀遺傳改良技術成為現(xiàn)實。就如何實現(xiàn)基因甲基化改良的問題上，現(xiàn)代育種者可用化學物質(zhì)或優(yōu)化的基因編輯技術（如CRISPR / Cas9）改良基因甲基化。兩種方法均可使育種者對植物的表觀基因組進行有針對性的改良，并培育出具有更優(yōu)性狀的新品種。

表觀遺傳育種不僅可應用于棉花，還可用于許多其他作物，如小麥、油菜籽、咖啡、土豆、香蕉和玉米。

棉花是最大的纖維作物，世界上有150多個國家參與棉花進出口。在美國經(jīng)濟中，棉花所帶動的產(chǎn)值年收入逾1000億美元，是美國第一大增值作物。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在野生品種組合形成雜交種，雜交品種適應其環(huán)境變化，最后在被人類培育的過程中，DNA甲基化也隨之發(fā)生變化。該團隊的這一發(fā)現(xiàn)至關重要，因為棉花從一種最初僅能在熱帶地區(qū)生長的植物變?yōu)榭稍谑澜绺鞯貜V泛生長的植物，其原因不是基因變化，而是表觀遺傳性質(zhì)的改變。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，野生棉花含有一種甲基化基因，有防止棉花在白晝較長的季節(jié)里開花，包括美國和中國的許多地方，在夏季白晝都較長。在種植棉花中，相同的基因失去了這種甲基化，允許這種基因被識別，而這種表觀遺傳的改變，使棉花得以在全球廣泛種植。此研究基于當前美國（或高原）最完整的棉花遺傳序列圖進行的，這份序列圖是中國專家和他的合作者在兩年前研發(fā)成功的。

棉花的培育可追溯到150多萬年前。那時，兩種不同的野生作物種被人類漸漸培育成一種雜交，人類最終促成了現(xiàn)代陸地棉和皮馬棉的發(fā)展。專家發(fā)現(xiàn)，今天類似的雜交中的DNA甲基化，也存在于野生和人工培育棉花中，這表明，這些變化貫穿于進化、選擇和培育過程始終。西方育種專家擔心，現(xiàn)有的改良可能導致再培育棉的退化，而這一發(fā)現(xiàn)，能大大消除他們的疑慮。

世界棉花研究權威認為，表觀遺傳改良棉是一種全新的突破。它不僅改變了人類過去的單一改良法，而且在培育新品種上闖出了一條新路，使人類從此有了另一種培育方法。

（據(jù)印度近期《纖維與時尚》和《時尚世界》http：//www.fibre2fashion.com/news/cotton-news/epigenetic-modification-for-better-cotton-coming-up-206130-newsdetails.htm；http：//www.fashionatingworld.com/new1-2/first-step-taken-toward-epigenetically-modified-cotton）endprint