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“金色纖維”如何煉成
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作為世界上最重要的長(zhǎng)纖維作物之一，黃麻在全世界的產(chǎn)量和種植面積僅次于棉花，享有“金色纖維”之稱，在麻紡工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。中國(guó)是世界上最古老的黃麻生產(chǎn)國(guó)和起源地之一。
6月25日，福建農(nóng)林大學(xué)麻類(lèi)研究室聯(lián)合該�；�因組與生物技術(shù)中心在《植物生物技術(shù)雜志》（Plant Biotechnology Journal）率先發(fā)表了染色體級(jí)別的黃麻參考基因組圖譜。他們?cè)诖嘶�礎(chǔ)上解析了黃麻纖維品質(zhì)的關(guān)鍵遺傳位點(diǎn)，為黃麻的功能基因驗(yàn)證和分子設(shè)計(jì)育種奠定了基礎(chǔ)。
率先公布染色體水平的黃麻基因組
黃麻，又稱絡(luò)麻、綠麻，一年生草本韌皮纖維作物。黃麻屬有100多個(gè)種，其中具有栽培價(jià)值的有兩個(gè)種，即圓果種黃麻和長(zhǎng)果種黃麻，主要分布于熱帶及亞熱帶地區(qū)，我國(guó)、印度和孟加拉國(guó)都是黃麻的主要產(chǎn)地。在我國(guó)，黃麻最早記載于公元1061年的《圖經(jīng)本草》，其種植歷史已有近千年。
根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，目前全球黃麻纖維年產(chǎn)量為3422876噸，產(chǎn)值23億美元。論文通訊作者、福建農(nóng)林大學(xué)教授張立武說(shuō)，黃麻具有纖維產(chǎn)量高、纖維質(zhì)地柔軟的特點(diǎn)。作為麻紡工業(yè)的重要原料，我國(guó)生產(chǎn)的黃麻纖維主要用于紡織麻袋、麻布、麻繩等包裝用品。
近年來(lái)，由于黃麻紡織技術(shù)取得較大進(jìn)展，黃麻纖維已能純紡或混紡成高檔布料，或可紡織成貼墻布、桌布、窗簾布等裝飾布料。除了利用麻纖維，黃麻多功能用途還拓展到菜用、鹽堿地修復(fù)用、茶用、重金屬吸附用等。黃麻纖維細(xì)胞呈五角形或六角形，中空結(jié)構(gòu)，具有良好的吸濕性和透氣性。作為天然的植物纖維材料，黃麻可抑菌、可降解、抗靜電、易染色，具有廣闊的推廣前景。
論文第一作者、福建農(nóng)林大學(xué)博士研究生張力嵐介紹，他們分別以圓果種黃麻優(yōu)良品種“黃麻179”和長(zhǎng)果種黃麻優(yōu)良品種“寬葉長(zhǎng)果”為材料，采用二代、三代測(cè)序策略，同時(shí)結(jié)合Hi-C染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)，首次完成了黃麻染色體水平全基因組測(cè)序和組裝工作。
該研究獲得的圓果種黃麻和長(zhǎng)果種黃麻的基因組大小分別約為336 Mbp和361 Mbp，contig N50分別為46 Mb和50 Mb，分別鑒定到25874個(gè)和28479個(gè)蛋白編碼基因。
由于黃麻和雷蒙德氏棉都屬于錦葵科，且均為二倍體的纖維作物，他們還比較了兩個(gè)物種的形成時(shí)間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃麻屬和雷蒙德氏棉之間的物種分化發(fā)生在3800萬(wàn)年前。
雖然圓果種黃麻和長(zhǎng)果種黃麻表現(xiàn)出良好的共線性，但長(zhǎng)果種黃麻基因組比圓果種多出25 Mbp，包含13個(gè)假定的倒位。張力嵐告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，染色體倒位是染色體畸變的一種類(lèi)型，推測(cè)這13個(gè)倒位可能是造成兩種黃麻表型差異的重要原因。
黃麻的起源與馴化
為了從基因組水平剖析黃麻起源與馴化，他們對(duì)來(lái)自世界各地的242份圓果種黃麻、57份長(zhǎng)果種黃麻和1份近緣種假黃麻，共300份不同的黃麻屬材料進(jìn)行了重測(cè)序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了黃麻馴化史上的一次種群瓶頸事件。
種群瓶頸又稱“種群瓶頸效應(yīng)”或“人口瓶頸”，是指某個(gè)種群的數(shù)量在演化過(guò)程中由于死亡或不能生育造成減少50%以上或者數(shù)量級(jí)減少的事件。
論文第一作者、福建農(nóng)林大學(xué)馬曉開(kāi)博士說(shuō)，種群瓶頸發(fā)生后，可能造成種群的滅絕，或種群恢復(fù)但僅存有限的遺傳多樣性。歷史上種群規(guī)模的變化研究，可以通過(guò)黃麻基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，利用經(jīng)典遺傳算法，開(kāi)展種群歷史有效群體大小的分析。黃麻在20000年前開(kāi)始出現(xiàn)瓶頸事件。種群規(guī)模持續(xù)下降，說(shuō)明此時(shí)黃麻種群受到了較大的自然選擇或人工選擇。
論文作者伊利諾伊大學(xué)香檳校區(qū)Ray Ming教授說(shuō)，在末次盛冰期（Last Glacial Maximum, LGM）時(shí)，圓果種黃麻僅存在于亞洲南部，而長(zhǎng)果種黃麻存在于非洲東部和亞洲南部。隨著時(shí)間的推移，非洲的黃麻分布越來(lái)越少，而亞洲則越來(lái)越多。為證明長(zhǎng)果種黃麻為起源于非洲東部并在亞洲東部經(jīng)歷第二次馴化的提供了依據(jù)。
論文第一作者、福建農(nóng)林大學(xué)博士研究生徐益解釋說(shuō)，黃麻是一年生短日照作物，喜溫暖濕潤(rùn)的氣候。隨著非洲氣溫升高和干旱加劇，而亞洲溫度適宜、雨量充沛，非洲黃麻資源日趨匱乏，亞洲轉(zhuǎn)而成為黃麻的主要生產(chǎn)國(guó)。“黃麻的分布情況受到亞非兩地氣候變化、人類(lèi)文化交流以及人工選擇的影響�！�
黃麻纖維品質(zhì)重要遺傳位點(diǎn)的挖掘
“因?yàn)辄S麻是韌皮部纖維作物，其最重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物就是韌皮纖維，所以我們期望挖掘與韌皮部纖維形成相關(guān)的重要基因，可為黃麻纖維改良提供理論基礎(chǔ)和基因資源�！睆埩⑽湔f(shuō)。
他們利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)，挖掘了黃麻韌皮部纖維形成相關(guān)基因，包括木質(zhì)素和纖維素的合成途徑參與調(diào)控的基因，以及影響纖維起始伸長(zhǎng)的調(diào)控基因，并繪制了這些基因的表達(dá)譜。
全基因組關(guān)聯(lián)分析GWAS分析，他們確定了數(shù)百個(gè)控制纖維細(xì)度、纖維素含量和木質(zhì)素含量的纖維品質(zhì)性狀的重要位點(diǎn)。結(jié)合選擇性清除分析發(fā)現(xiàn)，纖維細(xì)度QTL的微絲酶家族蛋白CcSFP1、蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶CcPRMT7等候選基因位于選擇性清除區(qū)域，推測(cè)這些基因受到了馴化選擇。利用競(jìng)爭(zhēng)性等位基因特異性PCR（KASP）和轉(zhuǎn)基因技術(shù)驗(yàn)證了控制黃麻纖維品質(zhì)的候選基因CcCOBRA1和CcC4H1的功能。
COBRA基因能控制纖維素微纖絲在細(xì)胞壁中的正確位置和植物細(xì)胞的定向伸長(zhǎng)。在水稻中，COBRA基因的突變會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁厚度和纖維素含量降低，具有調(diào)控水稻莖稈機(jī)械強(qiáng)度的功能，被稱為“脆桿基因”。在黃麻中，他們發(fā)現(xiàn)CcCOBRA1的表達(dá)水平隨著纖維發(fā)育而增加，表明該基因是控制黃麻纖維品質(zhì)、影響纖維積累的一個(gè)重要位點(diǎn)。C4H基因介導(dǎo)肉桂酸轉(zhuǎn)化為對(duì)香豆酸，是調(diào)控植物木質(zhì)素合成最重要的基因之一，其轉(zhuǎn)錄豐度可直接影響植物中黃酮類(lèi)化合物和芳香族化合物的生物合成量。這些基因的挖掘，為黃麻纖維品質(zhì)的遺傳改良提供了基因資源。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所研究員粟建光說(shuō)，該研究成果率先完成了黃麻染色體精確測(cè)序及基因結(jié)構(gòu)分析，開(kāi)展了基于全基因組測(cè)序分析的黃麻復(fù)雜性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析，解析了黃麻纖維品質(zhì)的關(guān)鍵遺傳位點(diǎn)，系統(tǒng)鑒定了黃麻全基因組馴化選擇位點(diǎn)，證明了長(zhǎng)果種黃麻為起源于非洲東部并在亞洲東部經(jīng)歷第二次馴化，解開(kāi)了黃麻馴化和起源之謎，為黃麻的功能基因驗(yàn)證和分子設(shè)計(jì)育種提供手段。
據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)首次破譯黃麻2個(gè)栽培種的全基因組，標(biāo)志著我國(guó)在麻類(lèi)作物基因組與分子育種研究方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 李晨）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/pbi.13652作者：張立武等 來(lái)源：《植物生物技術(shù)雜志》