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通过基因调控 天然彩色棉新增亮眼色系

来源:科技日报 时间:2022-05-10 15:11:39

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紫化突变体HS2、彩色棉亲本及其杂交后代不同纤维颜色品系选育 科研团队供图


洪恒飞 张若娴 科技日报记者 江耘


你能想象到的棉花是什么颜色?除了常规的白色,科研人员通过基因解析、调控,令棉花盛开之时,也能呈现橙色、蓝色等鲜亮色泽。


5月8日,记者从浙江理工大学获悉,该校生命科学与医药学院孙玉强教授团队通过基因工程创制一个棉花紫化突变体,解析了突变体GhOMT1基因的功能缺失调控花青素累积的内在机理,由此团队通过杂交育种技术提高纤维中原花青素含量,开辟出培育多种颜色的彩色棉新途径。相关研究论文近日在线发表于国际期刊《植物生物技术杂志》。


从植株紫化“顺藤摸瓜”


棉花是重要的经济作物,是纺织工业的主导原料。此前,天然彩色棉品种资源多属于棕色和绿色系列,颜色单调、色牢度及色饱和度不足成为限制彩色棉产业发展的瓶颈。


“用传统的遗传育种手段无法解决目前彩色棉颜色单调的问题。”孙玉强解释道,挖掘彩色棉纤维色素物质合成和调控的关键基因,阐明纤维色泽形成的机理,通过基因工程获得多种颜色的彩色纤维,是棉花纤维色泽改良的新方向和突破点。


从2010年起,孙玉强团队就利用农杆菌介导的棉花转基因技术,创制棉花突变体,其中一个紫化突变株系HS2从种子萌发到植株衰亡,整个生育期茎、叶、蕾等组织器官都呈紫色,并稳定遗传。


通过分析花青素含量和成分发现,导致植株紫化突变的主要原因是HS2中积累了大量游离态无色花青素、有色花青素及中间产物,并且花青素的组成和含量也发生改变。


“突变体中花青素种类主要有矢车菊素、飞燕草素和天竺葵色素三种羟基化花青素单体,其含量极显著增加,而另外三种植物中常见的花青素单体,芍药素、矮牵牛素、锦葵素,几乎检测不到。”孙玉强说。


研究结果表明,在紫化突变体HS2中,类黄酮代谢通路的中游核心类黄酮-花青素途径的关键酶基因表达量大幅上调,导致大量游离态花青素累积,呈现紫化性状。


孙玉强解释道,花青素甲基化步骤异常可能反馈花青素上游基因表达,导致羟基化的天竺葵色素、矢车菊色素和飞燕草素及上游物质的累积,从而整株呈现紫色突变。


明确棉花纤维“调色原料”


在之前的研究中,孙玉强团队发现HS2突变体从茎、叶到花、铃等器官都呈现紫色,唯独纤维颜色没有改变。


对此,他分析道,这可能与突变体中原花青素合成的GhANR和GhLAR两组通路表达水平比较低有关,导致纤维中原花青素累积不够,所以棉花纤维仍然呈现白色。


那么HS2突变体能否用于彩色纤维的遗传改良从而使纤维颜色加深甚至出现新的颜色呢?从2012年开始,孙玉强团队利用紫化突变体HS2分别与9个棕色棉和绿色棉的品种进行正反交,并利用紫化性状、纤维颜色结合分子标记选择稳定的杂交后代株系。


经过连续多代的选育,孙玉强团队已经获得纤维色泽稳定、颜色显著改变的多个杂交组合,包括深棕色至咖啡色,绿色、军绿色和深绿色,橙色,还有深浅不一的蓝色。


在此研究基础上,该研究团队提出彩色棉纤维颜色分子改良的新策略:在HS2紫化突变体提供大量花青素合成的基础上,通过遗传操纵不同基因,改变花青素种类、含量和比例。


孙玉强介绍道,比如“黄色系”对应天竺葵素,“红色系”对应矢车菊色素,“蓝色系”对应飞燕草色素,结合操纵GhANR和GhLAR改变PA的含量和种类,或进一步提高PA聚合度等,从而培育更多颜色的彩色棉。


彩色棉纤维成熟时天然具有颜色,可以无需印染直接纺纱成布,提供环保、健康、天然的产品,避免纺织品化学印染带来的环境污染和对人们健康的危害,是纺织产业绿色发展重要的物质基础。彩色棉纤维因其花青素类物质含量较高,还具有较高的抗氧化性、抗菌性等优点。


“团队在培育彩色棉方面取得重大突破,创制了大量的彩色棉种质资源和新品系。”孙玉强表示,团队正持续开展彩色棉纤维改良实验,推动彩色棉应用于婴幼儿衣物、玩具和医用纱布等领域。