作者:李晨  蒋朝常 来源: 中国科学报 发布时间:2023-10-18
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10年,他们打磨棉花育种“金钥匙”

 

团队在新疆的棉花试验田。受访者供图

■本报记者 李晨 通讯员 蒋朝常

2013年夏天的一个傍晚,华中农业大学教授、棉花团队带头人张献龙把博士一年级学生王茂军叫到办公室,向他提出了一个“灵魂之问”:“棉花是个异源四倍体,有两套不同来源的亚基因组,它们究竟是怎么调控纤维发育与品质形成的呢?”

此后10年,王茂军在张献龙带领下一步步解开这个问题,在《自然-遗传学》连续发表了4篇论文。而王茂军也从一名博士生成长为华中农业大学教授,带领自己的团队在棉花育种的道路上继续深耕。

其中,第四篇《自然-遗传学》论文于10月16日在线发表。论文解析了异源四倍体陆地棉两个亚基因组对纤维发育和品质形成的动态协同调控机制,阐释了亚基因组同源基因用于纤维品质改良的潜力,提出了基因组模块化的优质棉设计育种构想,创新了多倍体性状优势形成的调控理论和育种理念。

有远见的“灵魂之问”

王茂军至今仍记得10年前那个傍晚。当他面对张献龙提出的“灵魂之问”快速搜索大脑中相关知识“内存”时,张献龙又问:“世界上有没有研究先例?”“有没有相关文献?”“我们能不能做?”

一个接一个的问题,实际上都是基于解决“国家的优质棉短缺”的宏伟愿景提出的。

论文通讯作者张献龙告诉《中国科学报》,科学研究发现,四倍体陆地棉的两个亚基因组都存在调控棉花纤维品质形成的基因。既然如此,究竟是哪套亚基因组上的基因在调控棉花纤维品质?或者说,在全局水平上两个亚基因组如何协同调控纤维品质形成?

“由于这个问题不清楚,导致陆地棉种质资源的靶向性育种利用不强,限制了陆地棉纤维品质的进一步育种改良。因此,研究两个亚基因组如何协同调控棉花纤维形成这一重大理论问题对优质棉花纤维育种至关重要。”张献龙说。

在论文共同通讯作者王茂军看来,这是一个富有远见的问题。

“当时回答这个问题是非常困难的,我们的基础非常薄弱。基础薄弱到什么地步呢?我们连棉花亚基因组什么样子都不知道,没有完整的四倍体棉花基因组。所以我们迈出了第一步,组装异源四倍体棉花——海岛棉的基因组。”王茂军说。

那时候,基因组学研究领域已是一片“红海”,国内外的研究者都看到了该领域的研究价值,每个月都有新的基因组发表。

面对薄弱的生物信息学基础和严峻的竞争形势,张献龙鼓励王茂军别退缩。于是,王茂军向同领域学者请教问题,与课题组成员讨论进展,从早上7点研究到晚上12点,奋力追赶基因组学研究的前沿。

2015年,海岛棉基因组草图组装完成。张献龙、王茂军等人发现,At亚基因组与Dt亚基因组上,参与纤维素合成的关键基因在纤维发育不同时期出现差异表达。基于此,他们提出了“亚基因组合作调控纤维发育的接力模型”。

张献龙说:“第一关已经迈过去了,后面要解决更深层次的问题。”

十年步步为“赢”

同年7月,王茂军开始了新一轮研究——将陆地棉的野生种系与栽培品种进行比较。之所以要开展这项研究,是因为陆地棉野生种纤维棕黄而短,陆地棉驯化种则具有白色的长纤维。他们想要弄清陆地棉经历了什么才发生这种转变。

2017年,相关研究成果在《自然-遗传学》上发表。王茂军说,在5000多年的驯化历程中,两个亚基因组中通常仅有一个亚基因组被人工选择,说明其对纤维品质形成很重要,“同时这让我们进一步思考,没有被育种选择的另一个亚基因组究竟怎么调控纤维品质”。

于是,他们尝试从纤维品质更优的四倍体海岛棉身上寻找答案。用海岛棉改良陆地棉,是否有望得到产量高、品质好的理想的棉花?

2019年,相关研究成果再次登上《自然-遗传学》。这一次,他们找到了控制海岛棉特优纤维品质的相关遗传位点和基因。“这些基因定向导入到陆地棉的一个亚基因组中,可以提升陆地棉的纤维品质。”王茂军说。

棉属广泛分布于美洲、亚洲、非洲、澳洲,不同棉种植株差异明显。于是他们想,能否找到更多的未被利用的优异基因,从而改善棉花纤维的品质。

他们尝试从陆地棉、海岛棉的祖先身上寻找答案。2022年,他们第三次在《自然-遗传学》发表文章。这一次,他们找到了棉花纤维“从无到有、从有到优”演化的原因。他们还找到了一些亚洲棉特异的基因,将它们导入陆地棉,有望提升纤维品质。

“根据长时间的研究,我们确定四倍体棉花两个不同起源的亚基因组是其在育种上的天然优势。”王茂军说,“如果能用好这两个亚基因组,棉花纤维品质一定能更上一层楼。”

早在几年前,论文共同第一作者、团队博士后马益赞就从全世界收集的棉花材料中精心挑选了400份种质。由论文共同通讯作者、华中农业大学教授涂礼莉带队,一行13人入驻华中农业大学黄冈基地,进行田间试验和样品收集,同时在室内开展基因敲除实验验证……

随后,项目正式进入数据分析阶段,团队进入3天一讨论的“魔鬼”模式。

从数据规律,到展示方式、颜色搭配,再到文字描述,王茂军在每一处细节上都精益求精。团队博士生戚正阳说:“无论聚餐、开会还是出差,我们都离不开课题讨论。”

“我明白科研的道路上总会有很多挫折,我也经历过。”王茂军说,“做科研是件幸福的事,我希望学生都能体会到。”

团队博士生尤佳琦说:“为排解科研压力,王老师经常同我们分享一些历史故事。虽然工作很辛苦,但每个人都充满斗志和干劲儿。”

他们的付出在今年继续开花结果,第四篇《自然-遗传学》论文10月上线。

两代人的接力

从2019年到2023年,王茂军的研究小组已经从5人壮大到了23人,至少两代人得到了锻炼与成长。

在张献龙的指导下,王茂军成长为独当一面的青年科研人员。在王茂军的指导下,博士生尤佳琦、刘振平、戚正阳等从跟在师兄、师姐背后的小师弟、小师妹,成长为值得依靠和信赖的师兄、师姐。

经过10年不懈探索,团队师生深深地感受到做科研是一件既辛苦又幸福的事,接下来他们要把论文成果投入性状应用和生产实践。

“我们当前提出的通过优化亚基因组同源基因表达来改良纤维品质的构想,算是对10年前张老师提出的问题的初步、较为细致的回答。”王茂军说,“我们找到了陆地棉两个亚基因组‘接力’协同调控纤维品质形成的基因模块,并分析了其在育种过程中的利用情况,为进一步精准改良纤维品质提供了理论依据。”

他们分析了现在生产上的栽培品种,只有大约30%的两个亚基因组都存在的纤维相关基因被大部分品种利用了。王茂军说,这就暗示在两个亚基因组中还有相当一部分基因没有同时被育种利用,即两个亚基因组对纤维品质的贡献还有巨大潜力值得挖掘。

“它是我们在多倍体物种中开展育种应用、改良性状的一把‘金钥匙’。要更清楚地回答‘灵魂之问’,还有很多研究需要开展。打破砂锅问到底,未来我们将继续打磨这把‘钥匙’,进一步推动基因组设计育种,育成优质高产的棉花品种。”王茂军说。

张献龙说:“我们已经做了很多基础研究和理论研究,打下了很好的基础。但是研究最终应该落在品种改良上,要开发育种新技术并育成更好的品种,为棉农增添福祉。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41588-023-01530-8

《中国科学报》 (2023-10-18 第1版 要闻)
 
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