7月9日，Nature Communications在线发表了华中农业大学张献龙院士团队的研究论文，该研究揭示了棉花中两个同源基因出现功能分化，形成两条钙信号通路，分别正、负调控棉花抗旱性的分子机制，这在全球为首次发现。
Nature Communications发表华农张献龙院士团队的研究论文
棉花是重要的经济作物和油料作物。目前，大陆棉花种植区域逐渐向干旱、高温地区转移，棉花主产地集中在新疆地区，干旱少雨。同时，棉花生育期长，生长盛期又值高温季节，蒸腾作用强，需水量大，干旱胁迫成为影响棉花生产的主要制约因素之一。发掘抗旱基因、解析抗旱机制并创制抗旱种质是实现棉花抗旱育种的重要途经。
在多倍体植物进化过程中，同源基因大都来自基因复制，被认为是物种形成、多样化和适应性的重要力量，在基因家族的进化中起着非常重要的驱动作用，会形成调控网络的功能分化和创新。棉花属于异源四倍体，对逆境有着较强的适应性。为什么要进行此项研究呢？这是因为在此前，棉花的强适应性与其多倍化的关系并不清楚，异源多倍体中同源基因是如何进化，同源基因的亚功能化或新功能化在适应干旱胁迫上的机制及形成的调控网络并不清楚。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良团队杨细燕教授
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良团队、湖北洪山实验室杨细燕教授介绍，关于钙信号调控作物抗旱机制的研究，至今已有20多年历史。钙作为“第二信使”，广泛参与植物发育及逆境的适应性，钙信号的激活及传导是全球都在关注的重点科学问题。
“我们这项研究的创新点在于发现了钙信号传导过程中两个同源基因，它们在调控棉花抗旱性上恰好功能相反，一个同源基因负调控棉花抗旱性，通过敲除这个基因就可以提高棉花的抗旱性；另一个同源基因正调控棉花抗旱性，通过超表达，即加强这个基因，从而提高棉花的抗旱性。”杨细燕介绍道。
杨细燕教授和孙伟男博士正在研究干旱处理下种子萌发情况
然而，这项研究的过程并不容易，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良团队、湖北洪山实验室博士后孙伟男是该论文的第一作者，他向长江云新闻记者介绍，想要更完善地将棉花中两个同源基因的正反调控机制研究下去，首先需要拿到它的转基因材料，两个信号通路就涉及到至少四个基因的转基因材料。每拿到一个材料可能要花费一到两年的时间，对信号通路的研究还需要拿到不同配合杂交的材料，在对它的机制研究时，还要对钙离子、钾离子等做进一步的测定，这些都是比较耗时的过程。
在全球气候变暖的背景下，水资源短缺是棉花生产中亟需解决的问题，重要的抗旱基因既是生物育种的核心关键之处，也是全球竞争的核心资源之一。“这个研究一方面的应用在于，对获得的转基因材料，通过杂交回交、辅助选择的方式把抗旱性导入到优良的品种中；另一方面，可以把这些基因开发成功能标记，利用这些标记，对已有的品种进行评价或对待审的品种进行辅助选择，从而实现抗旱性的改良。”
不仅是抗旱性，棉花的产量、品质、其他抗逆性和机采性状等，都可以通过对重要基因的操作进行改良。杨细燕教授认为，当前的目标是要实现多性状的协同改良，通过分子设计和生物育种新技术将调控重要性状的关键正调控基因聚合起来，或者将关键负调控基因批量或同时敲除，由此来获得多性状同步改良的重大品种。
“我们的目标是培育节水超过20%的棉花品种。这项研究成果应用到棉花甚至是其他粮食的种植中，都将会有一个非常好的前景。”杨细燕提出了研发团队未来的目标。
（长江云新闻记者 王宇 汪佳睿 谭思为）