近日，華中農(nóng)業(yè)大學張獻龍院士棉花遺傳改良團隊撰寫的綜述性文章“棉花纖維品質(zhì)亞基因組遺傳解析與模塊化設計育種構(gòu)想”發(fā)表在《科學通報》上。文章總結(jié)了該團隊針對異源四倍體棉花中“亞基因組不對稱性”特征的研究進展，提出了“亞基因組模塊化設計育種”的創(chuàng)新策略，為提升棉花纖維品質(zhì)開辟了新的道路。

棉花作為我國重要的經(jīng)濟作物，其纖維品質(zhì)對紡織工業(yè)和下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。然而，盡管我國在棉花育種方面已經(jīng)取得了顯著的進展，但優(yōu)質(zhì)棉品種的選育仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。

多倍體棉花亞基因組不對稱性研究進展

該團隊通過多年的研究，揭示了在多倍化、馴化和纖維發(fā)育過程中，異源多倍體棉花亞基因組在轉(zhuǎn)錄、表觀修飾以及三維結(jié)構(gòu)等水平普遍存在的“亞基因組不對稱性”現(xiàn)象（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，亞基因組間的結(jié)構(gòu)變異和同源基因表達偏倚在纖維品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用。具體而言，69.04%的亞基因組同源基因在陸地棉全生育期12個組織/發(fā)育階段中出現(xiàn)偏向性表達，而在纖維發(fā)育的群體轉(zhuǎn)錄組研究中，這一比例高達79.06%。這些偏向性表達進一步塑造了兩個亞基因組對于纖維品質(zhì)形成的不均等貢獻。

圖1：華中農(nóng)業(yè)大學棉花遺傳改良團隊在亞基因組不對稱性方向的研究進展

提出“亞基因組模塊化設計育種”新策略

基于上述研究成果，華中農(nóng)業(yè)大學棉花遺傳改良團隊提出了“亞基因組模塊化設計育種”的新策略（圖2）。該策略的核心是通過一定的分子生物學手段，消弭At亞基因組與Dt亞基因組之間的表達差異，將對纖維品質(zhì)貢獻較低的亞基因組提升到與貢獻較高的亞基因組均等或更高的水平。通過這種方式，充分發(fā)揮異源多倍體中亞基因組“加性效應”的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)纖維品質(zhì)的進一步提升。

初步探索表明，這一策略具有巨大的應用潛力。在基于376份陸地棉材料進行的實踐中，只有約30%的同源基因?qū)υ诿總€時期50%以上的材料中被鑒定為對品質(zhì)有利的同源基因?qū)?，而約70%的亞基因組同源基因?qū)捎糜谶M一步優(yōu)化纖維品質(zhì)。這表明，通過“亞基因組模塊化設計育種”，有望突破傳統(tǒng)育種的局限，實現(xiàn)棉花纖維品質(zhì)的顯著提升。

圖2：亞基因組模塊化設計育種的理論基礎與實踐方案

總結(jié)與展望

這一創(chuàng)新策略的提出，為棉花育種領域帶來了新的希望和機遇。未來，結(jié)合表觀遺傳改良以及“基因組+基因編輯”工具組合，有望進一步突破遺傳改良的上限，滿足市場對高品質(zhì)棉花的綜合需求。這不僅將提升我國棉花在國際市場上的競爭力，還將為我國棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的理論支持。

文章信息

尤佳琦，王茂軍，張獻龍。棉花纖維品質(zhì)亞基因組遺傳解析與模塊化設計育種構(gòu)想 (J/OL). 科學通報, 2025, 70 (19): 3168-3178.

https://doi.org/10.1360/TB-2025-0114

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