你能想象到的棉花是什么顏色?除了常規(guī)的白色，科研人員通過基因解析、調(diào)控，令棉花盛開之時，也能呈現(xiàn)橙色、藍(lán)色等鮮亮色澤。

5月8日，記者從浙江理工大學(xué)獲悉，該校生命科學(xué)與醫(yī)藥學(xué)院孫玉強(qiáng)教授團(tuán)隊通過基因工程創(chuàng)制一個棉花紫化突變體，解析了突變體GhOMT1基因的功能缺失調(diào)控花青素累積的內(nèi)在機(jī)理，由此團(tuán)隊通過雜交育種技術(shù)提高纖維中原花青素含量，開辟出培育多種顏色的彩色棉新途徑。相關(guān)研究論文近日在線發(fā)表于國際期刊《植物生物技術(shù)雜志》。

從植株紫化“順藤摸瓜”

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物，是紡織工業(yè)的主導(dǎo)原料。此前，天然彩色棉品種資源多屬于棕色和綠色系列，顏色單調(diào)、色牢度及色飽和度不足成為限制彩色棉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

“用傳統(tǒng)的遺傳育種手段無法解決目前彩色棉顏色單調(diào)的問題。”孫玉強(qiáng)解釋道，挖掘彩色棉纖維色素物質(zhì)合成和調(diào)控的關(guān)鍵基因，闡明纖維色澤形成的機(jī)理，通過基因工程獲得多種顏色的彩色纖維，是棉花纖維色澤改良的新方向和突破點。

從2010年起，孫玉強(qiáng)團(tuán)隊就利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的棉花轉(zhuǎn)基因技術(shù)，創(chuàng)制棉花突變體，其中一個紫化突變株系HS2從種子萌發(fā)到植株衰亡，整個生育期莖、葉、蕾等組織器官都呈紫色，并穩(wěn)定遺傳。

通過分析花青素含量和成分發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致植株紫化突變的主要原因是HS2中積累了大量游離態(tài)無色花青素、有色花青素及中間產(chǎn)物，并且花青素的組成和含量也發(fā)生改變。

“突變體中花青素種類主要有矢車菊素、飛燕草素和天竺葵色素三種羥基化花青素單體，其含量極顯著增加，而另外三種植物中常見的花青素單體，芍藥素、矮牽牛素、錦葵素，幾乎檢測不到。”孫玉強(qiáng)說。

研究結(jié)果表明，在紫化突變體HS2中，類黃酮代謝通路的中游核心類黃酮-花青素途徑的關(guān)鍵酶基因表達(dá)量大幅上調(diào)，導(dǎo)致大量游離態(tài)花青素累積，呈現(xiàn)紫化性狀。

孫玉強(qiáng)解釋道，花青素甲基化步驟異常可能反饋花青素上游基因表達(dá)，導(dǎo)致羥基化的天竺葵色素、矢車菊色素和飛燕草素及上游物質(zhì)的累積，從而整株呈現(xiàn)紫色突變。

明確棉花纖維“調(diào)色原料”

在之前的研究中，孫玉強(qiáng)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)HS2突變體從莖、葉到花、鈴等器官都呈現(xiàn)紫色，唯獨纖維顏色沒有改變。

對此，他分析道，這可能與突變體中原花青素合成的GhANR和GhLAR兩組通路表達(dá)水平比較低有關(guān)，導(dǎo)致纖維中原花青素累積不夠，所以棉花纖維仍然呈現(xiàn)白色。

那么HS2突變體能否用于彩色纖維的遺傳改良從而使纖維顏色加深甚至出現(xiàn)新的顏色呢?從2012年開始，孫玉強(qiáng)團(tuán)隊利用紫化突變體HS2分別與9個棕色棉和綠色棉的品種進(jìn)行正反交，并利用紫化性狀、纖維顏色結(jié)合分子標(biāo)記選擇穩(wěn)定的雜交后代株系。

經(jīng)過連續(xù)多代的選育，孫玉強(qiáng)團(tuán)隊已經(jīng)獲得纖維色澤穩(wěn)定、顏色顯著改變的多個雜交組合，包括深棕色至咖啡色，綠色、軍綠色和深綠色，橙色，還有深淺不一的藍(lán)色。

在此研究基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊提出彩色棉纖維顏色分子改良的新策略：在HS2紫化突變體提供大量花青素合成的基礎(chǔ)上，通過遺傳操縱不同基因，改變花青素種類、含量和比例。

孫玉強(qiáng)介紹道，比如“黃色系”對應(yīng)天竺葵素，“紅色系”對應(yīng)矢車菊色素，“藍(lán)色系”對應(yīng)飛燕草色素，結(jié)合操縱GhANR和GhLAR改變PA的含量和種類，或進(jìn)一步提高PA聚合度等，從而培育更多顏色的彩色棉。

彩色棉纖維成熟時天然具有顏色，可以無需印染直接紡紗成布，提供環(huán)保、健康、天然的產(chǎn)品，避免紡織品化學(xué)印染帶來的環(huán)境污染和對人們健康的危害，是紡織產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。彩色棉纖維因其花青素類物質(zhì)含量較高，還具有較高的抗氧化性、抗菌性等優(yōu)點。

“團(tuán)隊在培育彩色棉方面取得重大突破，創(chuàng)制了大量的彩色棉種質(zhì)資源和新品系。”孫玉強(qiáng)表示，團(tuán)隊正持續(xù)開展彩色棉纖維改良實驗，推動彩色棉應(yīng)用于嬰幼兒衣物、玩具和醫(yī)用紗布等領(lǐng)域。(洪恒飛 張若嫻 科技日報記者 江耘)

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關(guān)鍵詞： 基因工程 棉花紫化突變體 基因解析 雜交育種技術(shù)