破譯棉花的基因密碼
——記棉花生物學國家重點實驗室

聚焦科技前沿

棉花生物學國家重點實驗室（中國農業科學院棉花研究所、河南大學）是在原農業部棉花遺傳改良重點開放實驗室、河南省棉花生物學重點實驗室和河南省植物逆境生物學重點實驗室基礎上于2011年10月由科技部批準建設，于2014年1月順利通過了科技部組織的建設驗收的一所國家重點的以棉花生物學為主要研究對象的實驗室。2017年6月實驗室通過科技部第一輪五年評估，評估結果為“良好”。實驗室由中國科學院院士陳曉亞研究員擔任學術委員會主任，2011—2015年由中國工程院院士喻樹迅研究員擔任實驗室主任，2016年至今由中國農業科學院棉花研究所所長李付廣研究員擔任實驗室主任。

實驗室主要圍繞棉花生物學重大科學問題開展基礎和應用基礎研究工作，為棉花基礎創新提供原動力、為棉花重大前沿問題的解決提供支撐、為棉花高層科研人才培養和交流提供平臺。目前，實驗室擁有一支年齡結構合理，學術思想活躍，能夠承擔國家大型科研項目的中青年學術骨干隊伍，瞄準國際棉花科技發展前沿并結合國家需求，從事棉花基因組學及遺傳多樣性、棉花品質生物學及功能基因、棉花產量生物學及遺傳改良、棉花逆境生物學及環境調控4個方向的研究。

針對國際農業科技發展前沿并結合國家需求與黃淮海區域特點，實驗室開展與旱地農業生產實踐相關的重大基礎理論和技術開發研究。圍繞國家農業可持續發展重大需求，瞄準國際植物科學發展的前沿領域，根據實驗室的研究特色和優勢，開展與逆境農業生產實踐相關的重大創新性基礎和應用基礎研究。系列研究工作發表在The Plant Cell、Plant Physiology等國際知名的學術刊物上，其中Plant Physiology（2001,126:1438）論文單篇SCI他引300余篇次，為國內植物生物學界被引頻次較高的一項工作?！疤岣咧参锼掷眯实臍饪渍{節機制研究”研究理論得到了國際同行的廣泛認同，極大地提升了實驗室在國際植物生物學界的影響力，先后獲得2007年度國家高等學?？茖W研究優秀成果獎自然科學獎一等獎、2012年度國家自然科學獎二等獎等。所培養的博士生學位論文，有2篇被評為全國優秀博士學位論文提名論文?！吧锕澦倪z傳學基礎與技術”團隊2009年入選教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊。

棉花基礎和應用研究推動相關產業發展

捷報頻傳

近日，中國農業科學院棉花研究所棉花分子遺傳改良創新團隊開展了棉花著絲粒的進化研究，開發出鑒定著絲粒的新方法，闡明了棉花著絲粒的快速進化機制，揭示了姊妹種抗逆性狀分化的分子機制，為棉花的進化和抗逆遺傳改良提供了資源。相關研究成果以“Cotton D genome assemblies built with long-read data unveil mechanisms of centromere evolution and stress tolerance divergence”為題發表在國際知名期刊《BMC生物學》（BMC Biology）上。

著絲粒是連接一對姐妹染色單體的特化DNA序列，它能夠保證染色體在分裂的細胞中精確傳遞。著絲粒由高度復雜的重復序列構成，在基于短讀長組裝的基因組中序列質量不高，嚴重限制了人們對著絲粒功能和進化的認識。該研究基于納米孔的單分子實時電信號測序技術（ONT）長讀長序列，組裝獲得了瑟伯氏棉（G.thurberi）和戴維遜棉（G.davidsonii）高質量的參考基因組序列。利用Hi-C熱圖開發出鑒定著絲粒的新方法，成功鑒定棉花的著絲粒序列。通過共線性分析，實驗室發現，著絲粒鄰近區在不同棉種的同源染色體間保持良好的線性關系，而著絲粒區未見明顯的共線性，說明著絲粒進化速度更快。進一步研究分析發現，種間同源染色體的著絲粒序列高度分化，所包含的轉座子活性顯著高于非著絲粒區的，闡明了著絲粒的快速進化機制。此外，研究還揭示了棉屬姊妹種間的抗逆型分化的潛在分子機制，發現水楊酸（SA)信號通路在瑟伯氏棉與雷蒙德氏棉抗病分化中具有重要作用。脫落酸（ABA）信號通路、乙烯合成通路基因的差異表達可能導致了戴維遜棉與雷蒙德氏棉的耐鹽能力分化。該研究結果為植物的著絲粒進化研究提供了參考，為棉花的抗逆遺傳改良提供了新種質。

除此之外，實驗室還開展了關于GhPAS1基因影響棉花株型的分子機制的研究。棉花是世界上重要的纖維和油料作物。我國是世界棉花生產、消費和進口第一大國，棉花在國民經濟中發揮重要作用。株型是影響棉花機械化和產量的關鍵因素。棉花為多年生，無限生長，其側枝較長，株型松散，不利于單產提高和機械化采摘。棉花株型相關基因的發掘和調控機制的解析是實現棉花株型改良的重要途徑。

實驗室研究團隊在The Crop Journal在線發表了題為“The bHLH transcription factor GhPAS1 mediates BR signaling to regulate plant development and architecture in cotton”的研究論文。研究團隊前期利用FOX-hunting系統從棉花中發掘到一個能夠恢復擬南芥bri1-5突變體矮化緊湊表型的基因GhPAS1 (PAGODA1 SUPPRESSOR 1)。研究發現，GhPAS1屬于bHLH轉錄因子，GhPAS1過表達能夠顯著促進轉基因植株的生長，提高植株的生物量；轉基因植株對油菜素內酯合成抑制劑BRZ (Brassinazole) 處理的敏感性減弱。GhPAS1過表達能夠部分恢復棉花BR缺陷型突變體pag1的矮化表型，表明該基因是BR信號途徑的正向調控因子。在陸地棉ZM24中沉默GhPAS1基因顯著抑制了植株的生長發育，并極大地改變了棉花的株型結構，主要表現為植株的株高降低、果枝數目減少、果枝長度縮短和棉鈴數目減少，這進一步表明GhPAS1基因在棉花株型建成中發揮重要作用。該基因的發掘為解析植物激素BR調控棉花株型建成的機制和棉花株型改良奠定了良好的基礎。

造福社會民生

實驗室注重對外開放和學術交流，與美國南方平原試驗站等10個實驗室保持長期的交流與合作，每年派遣40余人次進行互訪交流和學習。另外，還與美國加州大學戴維斯分校、加州大學河濱分校、新澤西州立大學、得克薩斯農工大學及澳大利亞、荷蘭、以色列、巴基斯坦、越南、印度、印度尼西亞等國家的50多個研究單位開展國際合作與交流；在國內，與北京大學、浙江大學、清華大學、中國科學院等有關院校和科研單位合作。實驗室先后舉辦和承辦了棉花學會年會、國際棉花基因組大會、第四屆亞洲棉花研究與發展大會、第十二屆全國植物基因組學大會、作物雜種優勢利用國際學術大會等。積極實行“開放、流動、聯合、競爭”的運行機制，積極創造條件，著力營造濃厚的學術氛圍和寬松的工作環境，為實驗室科研人員進行創新性研究提供充分的研究條件和平臺。對于促進我國經濟社會發展、農業科技進步和農民增收方面具有重要意義。

實驗室總體目標是，堅持實驗室的研究方向，參與國際學術前沿發展，規范地組織科學研究，引導重大原始創新性工作，做出具有國際影響的重大成果，造就該領域的優秀團隊和國際知名學者，將實驗室建成具有國際水平的國家棉花生物學基礎研究公共平臺、國內外學術交流中心、優秀人才培養基地，整體提升我國棉花科技自主創新能力，使我國在棉花遺傳多樣性研究與新基因挖掘、棉花纖維品質性狀形成機理、棉花高產分子機理與品種設計、棉花逆境機理與環境調控等方面達到國際先進水平。