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用基因工程为棉花“涂”上五颜六色

2022年05月25日 11:01:00 来源:科技日报 作者:洪恒飞 张若娴 江耘

  谁说棉花只有白色?近日,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,创制了一个棉花紫化突变体,解析了该突变体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(一种色素成分,在酸性介质中加热后可产生花青素)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”

  棉花是世界性的重要经济作物,是纺织工业的主导原料。此前,天然彩色棉品种资源多为棕色和绿色系列,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,并且花青素的组成也发生了改变。

  “紫化突变体HS2中的花青素种类主要有矢车菊素、飞燕草素和天竺葵色素3种羟基化花青素单体,其含量显著增加,而另外3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,类黄酮代谢通路中游核心——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。

  天然彩色棉新增亮眼色系

  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突变体能否用于棉花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,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,或进一步提高原花青素的聚合度等,从而培育更多颜色的彩色棉。

  通过上述步骤培育出的彩色棉天然具有颜色,可以无需印染直接纺纱成布,避免了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。

[编辑: 王姝]
(本文来源:科技日报)
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