7月9日，Nature Communications線上發表了華中農業大學張獻龍院士團隊的研究論文，該研究揭示了棉花中兩個同源基因出現功能分化，形成兩條鈣信号通路，分别正、負調控棉花抗旱性的分子機制，這在全球為首次發現。
Nature Communications發表華農張獻龍院士團隊的研究論文
棉花是重要的經濟作物和油料作物。目前，大陸棉花種植區域逐漸向幹旱、高溫地區轉移，棉花主産地集中在新疆地區，幹旱少雨。同時，棉花生育期長，生長盛期又值高溫季節，蒸騰作用強，需水量大，幹旱脅迫成為影響棉花生産的主要制約因素之一。發掘抗旱基因、解析抗旱機制并創制抗旱種質是實作棉花抗旱育種的重要途經。
在多倍體植物進化過程中，同源基因大都來自基因複制，被認為是物種形成、多樣化和适應性的重要力量，在基因家族的進化中起着非常重要的驅動作用，會形成調控網絡的功能分化和創新。棉花屬于異源四倍體，對逆境有着較強的适應性。為什麼要進行此項研究呢？這是因為在此前，棉花的強适應性與其多倍化的關系并不清楚，異源多倍體中同源基因是如何進化，同源基因的亞功能化或新功能化在适應幹旱脅迫上的機制及形成的調控網絡并不清楚。
華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室棉花遺傳改良團隊楊細燕教授
華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室棉花遺傳改良團隊、湖北洪山實驗室楊細燕教授介紹，關于鈣信号調控作物抗旱機制的研究，至今已有20多年曆史。鈣作為“第二信使”，廣泛參與植物發育及逆境的适應性，鈣信号的激活及傳導是全球都在關注的重點科學問題。
“我們這項研究的創新點在于發現了鈣信号傳導過程中兩個同源基因，它們在調控棉花抗旱性上恰好功能相反，一個同源基因負調控棉花抗旱性，通過敲除這個基因就可以提高棉花的抗旱性；另一個同源基因正調控棉花抗旱性，通過超表達，即加強這個基因，進而提高棉花的抗旱性。”楊細燕介紹道。
楊細燕教授和孫偉男博士正在研究幹旱處理下種子萌發情況
然而，這項研究的過程并不容易，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室棉花遺傳改良團隊、湖北洪山實驗室博士後孫偉男是該論文的第一作者，他向長江雲新聞記者介紹，想要更完善地将棉花中兩個同源基因的正反調控機制研究下去，首先需要拿到它的轉基因材料，兩個信号通路就涉及到至少四個基因的轉基因材料。每拿到一個材料可能要花費一到兩年的時間，對信号通路的研究還需要拿到不同配合雜交的材料，在對它的機制研究時，還要對鈣離子、鉀離子等做進一步的測定，這些都是比較耗時的過程。
在全球氣候變暖的背景下，水資源短缺是棉花生産中亟需解決的問題，重要的抗旱基因既是生物育種的核心關鍵之處，也是全球競争的核心資源之一。“這個研究一方面的應用在于，對獲得的轉基因材料，通過雜交回交、輔助選擇的方式把抗旱性導入到優良的品種中；另一方面，可以把這些基因開發成功能标記，利用這些标記，對已有的品種進行評價或對待審的品種進行輔助選擇，進而實作抗旱性的改良。”
不僅是抗旱性，棉花的産量、品質、其他抗逆性和機采性狀等，都可以通過對重要基因的操作進行改良。楊細燕教授認為，目前的目标是要實作多性狀的協同改良，通過分子設計和生物育種新技術将調控重要性狀的關鍵正調控基因聚合起來，或者将關鍵負調控基因批量或同時敲除，由此來獲得多性狀同步改良的重大品種。
“我們的目标是培育節水超過20%的棉花品種。這項研究成果應用到棉花甚至是其他糧食的種植中，都将會有一個非常好的前景。”楊細燕提出了研發團隊未來的目标。
（長江雲新聞記者 王宇 汪佳睿 譚思為）