聚焦科技前沿

棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、河南大學(xué)）是在原農(nóng)業(yè)部棉花遺傳改良重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、河南省棉花生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和河南省植物逆境生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上于2011年10月由科技部批準(zhǔn)建設(shè)，于2014年1月順利通過(guò)了科技部組織的建設(shè)驗(yàn)收的一所國(guó)家重點(diǎn)的以棉花生物學(xué)為主要研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)室。2017年6月實(shí)驗(yàn)室通過(guò)科技部第一輪五年評(píng)估，評(píng)估結(jié)果為“良好”。實(shí)驗(yàn)室由中國(guó)科學(xué)院院士陳曉亞研究員擔(dān)任學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，2011—2015年由中國(guó)工程院院士喻樹(shù)迅研究員擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任，2016年至今由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所所長(zhǎng)李付廣研究員擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任。

實(shí)驗(yàn)室主要圍繞棉花生物學(xué)重大科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，為棉花基礎(chǔ)創(chuàng)新提供原動(dòng)力、為棉花重大前沿問(wèn)題的解決提供支撐、為棉花高層科研人才培養(yǎng)和交流提供平臺(tái)。目前，實(shí)驗(yàn)室擁有一支年齡結(jié)構(gòu)合理，學(xué)術(shù)思想活躍，能夠承擔(dān)國(guó)家大型科研項(xiàng)目的中青年學(xué)術(shù)骨干隊(duì)伍，瞄準(zhǔn)國(guó)際棉花科技發(fā)展前沿并結(jié)合國(guó)家需求，從事棉花基因組學(xué)及遺傳多樣性、棉花品質(zhì)生物學(xué)及功能基因、棉花產(chǎn)量生物學(xué)及遺傳改良、棉花逆境生物學(xué)及環(huán)境調(diào)控4個(gè)方向的研究。

針對(duì)國(guó)際農(nóng)業(yè)科技發(fā)展前沿并結(jié)合國(guó)家需求與黃淮海區(qū)域特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展與旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相關(guān)的重大基礎(chǔ)理論和技術(shù)開(kāi)發(fā)研究。圍繞國(guó)家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重大需求，瞄準(zhǔn)國(guó)際植物科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的研究特色和優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展與逆境農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相關(guān)的重大創(chuàng)新性基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。系列研究工作發(fā)表在The Plant Cell、Plant Physiology等國(guó)際知名的學(xué)術(shù)刊物上，其中Plant Physiology（2001,126:1438）論文單篇SCI他引300余篇次，為國(guó)內(nèi)植物生物學(xué)界被引頻次較高的一項(xiàng)工作?！疤岣咧参锼掷眯实臍饪渍{(diào)節(jié)機(jī)制研究”研究理論得到了國(guó)際同行的廣泛認(rèn)同，極大地提升了實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際植物生物學(xué)界的影響力，先后獲得2007年度國(guó)家高等學(xué)?？茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2012年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等。所培養(yǎng)的博士生學(xué)位論文，有2篇被評(píng)為全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名論文。“生物節(jié)水的遺傳學(xué)基礎(chǔ)與技術(shù)”團(tuán)隊(duì)2009年入選教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

棉花基礎(chǔ)和應(yīng)用研究推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

捷報(bào)頻傳

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所棉花分子遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了棉花著絲粒的進(jìn)化研究，開(kāi)發(fā)出鑒定著絲粒的新方法，闡明了棉花著絲粒的快速進(jìn)化機(jī)制，揭示了姊妹種抗逆性狀分化的分子機(jī)制，為棉花的進(jìn)化和抗逆遺傳改良提供了資源。相關(guān)研究成果以“Cotton D genome assemblies built with long-read data unveil mechanisms of centromere evolution and stress tolerance divergence”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《BMC生物學(xué)》（BMC Biology）上。

著絲粒是連接一對(duì)姐妹染色單體的特化DNA序列，它能夠保證染色體在分裂的細(xì)胞中精確傳遞。著絲粒由高度復(fù)雜的重復(fù)序列構(gòu)成，在基于短讀長(zhǎng)組裝的基因組中序列質(zhì)量不高，嚴(yán)重限制了人們對(duì)著絲粒功能和進(jìn)化的認(rèn)識(shí)。該研究基于納米孔的單分子實(shí)時(shí)電信號(hào)測(cè)序技術(shù)（ONT）長(zhǎng)讀長(zhǎng)序列，組裝獲得了瑟伯氏棉（G.thurberi）和戴維遜棉（G.davidsonii）高質(zhì)量的參考基因組序列。利用Hi-C熱圖開(kāi)發(fā)出鑒定著絲粒的新方法，成功鑒定棉花的著絲粒序列。通過(guò)共線性分析，實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，著絲粒鄰近區(qū)在不同棉種的同源染色體間保持良好的線性關(guān)系，而著絲粒區(qū)未見(jiàn)明顯的共線性，說(shuō)明著絲粒進(jìn)化速度更快。進(jìn)一步研究分析發(fā)現(xiàn)，種間同源染色體的著絲粒序列高度分化，所包含的轉(zhuǎn)座子活性顯著高于非著絲粒區(qū)的，闡明了著絲粒的快速進(jìn)化機(jī)制。此外，研究還揭示了棉屬姊妹種間的抗逆型分化的潛在分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)水楊酸（SA)信號(hào)通路在瑟伯氏棉與雷蒙德氏棉抗病分化中具有重要作用。脫落酸（ABA）信號(hào)通路、乙烯合成通路基因的差異表達(dá)可能導(dǎo)致了戴維遜棉與雷蒙德氏棉的耐鹽能力分化。該研究結(jié)果為植物的著絲粒進(jìn)化研究提供了參考，為棉花的抗逆遺傳改良提供了新種質(zhì)。

除此之外，實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)展了關(guān)于GhPAS1基因影響棉花株型的分子機(jī)制的研究。棉花是世界上重要的纖維和油料作物。我國(guó)是世界棉花生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)口第一大國(guó)，棉花在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。株型是影響棉花機(jī)械化和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。棉花為多年生，無(wú)限生長(zhǎng)，其側(cè)枝較長(zhǎng)，株型松散，不利于單產(chǎn)提高和機(jī)械化采摘。棉花株型相關(guān)基因的發(fā)掘和調(diào)控機(jī)制的解析是實(shí)現(xiàn)棉花株型改良的重要途徑。

實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在The Crop Journal在線發(fā)表了題為“The bHLH transcription factor GhPAS1 mediates BR signaling to regulate plant development and architecture in cotton”的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)前期利用FOX-hunting系統(tǒng)從棉花中發(fā)掘到一個(gè)能夠恢復(fù)擬南芥bri1-5突變體矮化緊湊表型的基因GhPAS1 (PAGODA1 SUPPRESSOR 1)。研究發(fā)現(xiàn)，GhPAS1屬于bHLH轉(zhuǎn)錄因子，GhPAS1過(guò)表達(dá)能夠顯著促進(jìn)轉(zhuǎn)基因植株的生長(zhǎng)，提高植株的生物量；轉(zhuǎn)基因植株對(duì)油菜素內(nèi)酯合成抑制劑BRZ (Brassinazole) 處理的敏感性減弱。GhPAS1過(guò)表達(dá)能夠部分恢復(fù)棉花BR缺陷型突變體pag1的矮化表型，表明該基因是BR信號(hào)途徑的正向調(diào)控因子。在陸地棉ZM24中沉默GhPAS1基因顯著抑制了植株的生長(zhǎng)發(fā)育，并極大地改變了棉花的株型結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為植株的株高降低、果枝數(shù)目減少、果枝長(zhǎng)度縮短和棉鈴數(shù)目減少，這進(jìn)一步表明GhPAS1基因在棉花株型建成中發(fā)揮重要作用。該基因的發(fā)掘?yàn)榻馕鲋参锛に谺R調(diào)控棉花株型建成的機(jī)制和棉花株型改良奠定了良好的基礎(chǔ)。

造福社會(huì)民生

實(shí)驗(yàn)室注重對(duì)外開(kāi)放和學(xué)術(shù)交流，與美國(guó)南方平原試驗(yàn)站等10個(gè)實(shí)驗(yàn)室保持長(zhǎng)期的交流與合作，每年派遣40余人次進(jìn)行互訪交流和學(xué)習(xí)。另外，還與美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校、加州大學(xué)河濱分校、新澤西州立大學(xué)、得克薩斯農(nóng)工大學(xué)及澳大利亞、荷蘭、以色列、巴基斯坦、越南、印度、印度尼西亞等國(guó)家的50多個(gè)研究單位開(kāi)展國(guó)際合作與交流；在國(guó)內(nèi)，與北京大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等有關(guān)院校和科研單位合作。實(shí)驗(yàn)室先后舉辦和承辦了棉花學(xué)會(huì)年會(huì)、國(guó)際棉花基因組大會(huì)、第四屆亞洲棉花研究與發(fā)展大會(huì)、第十二屆全國(guó)植物基因組學(xué)大會(huì)、作物雜種優(yōu)勢(shì)利用國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)等。積極實(shí)行“開(kāi)放、流動(dòng)、聯(lián)合、競(jìng)爭(zhēng)”的運(yùn)行機(jī)制，積極創(chuàng)造條件，著力營(yíng)造濃厚的學(xué)術(shù)氛圍和寬松的工作環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)室科研人員進(jìn)行創(chuàng)新性研究提供充分的研究條件和平臺(tái)。對(duì)于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和農(nóng)民增收方面具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)室總體目標(biāo)是，堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)室的研究方向，參與國(guó)際學(xué)術(shù)前沿發(fā)展，規(guī)范地組織科學(xué)研究，引導(dǎo)重大原始創(chuàng)新性工作，做出具有國(guó)際影響的重大成果，造就該領(lǐng)域的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)和國(guó)際知名學(xué)者，將實(shí)驗(yàn)室建成具有國(guó)際水平的國(guó)家棉花生物學(xué)基礎(chǔ)研究公共平臺(tái)、國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流中心、優(yōu)秀人才培養(yǎng)基地，整體提升我國(guó)棉花科技自主創(chuàng)新能力，使我國(guó)在棉花遺傳多樣性研究與新基因挖掘、棉花纖維品質(zhì)性狀形成機(jī)理、棉花高產(chǎn)分子機(jī)理與品種設(shè)計(jì)、棉花逆境機(jī)理與環(huán)境調(diào)控等方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。