科学通报 | 亚基因组模块化设计育种助力棉花纤维品质提升

近日，华中农业大学张献龙院士棉花遗传改良团队撰写的综述性文章“棉花纤维品质亚基因组遗传解析与模块化设计育种构想”发表在《科学通报》上。文章总结了该团队针对异源四倍体棉花中“亚基因组不对称性”特征的研究进展，提出了“亚基因组模块化设计育种”的创新策略，为提升棉花纤维品质开辟了新的道路。

棉花作为我国重要的经济作物，其纤维品质对纺织工业和下游产业的发展起着至关重要的作用。然而，尽管我国在棉花育种方面已经取得了显著的进展，但优质棉品种的选育仍然面临着诸多挑战。

多倍体棉花亚基因组不对称性研究进展

该团队通过多年的研究，揭示了在多倍化、驯化和纤维发育过程中，异源多倍体棉花亚基因组在转录、表观修饰以及三维结构等水平普遍存在的“亚基因组不对称性”现象（图1）。研究发现，亚基因组间的结构变异和同源基因表达偏倚在纤维品质形成中起着关键作用。具体而言，69.04%的亚基因组同源基因在陆地棉全生育期12个组织/发育阶段中出现偏向性表达，而在纤维发育的群体转录组研究中，这一比例高达79.06%。这些偏向性表达进一步塑造了两个亚基因组对于纤维品质形成的不均等贡献。

图1：华中农业大学棉花遗传改良团队在亚基因组不对称性方向的研究进展

提出“亚基因组模块化设计育种”新策略

基于上述研究成果，华中农业大学棉花遗传改良团队提出了“亚基因组模块化设计育种”的新策略（图2）。该策略的核心是通过一定的分子生物学手段，消弭At亚基因组与Dt亚基因组之间的表达差异，将对纤维品质贡献较低的亚基因组提升到与贡献较高的亚基因组均等或更高的水平。通过这种方式，充分发挥异源多倍体中亚基因组“加性效应”的优势，从而实现纤维品质的进一步提升。

初步探索表明，这一策略具有巨大的应用潜力。在基于376份陆地棉材料进行的实践中，只有约30%的同源基因对在每个时期50%以上的材料中被鉴定为对品质有利的同源基因对，而约70%的亚基因组同源基因对可用于进一步优化纤维品质。这表明，通过“亚基因组模块化设计育种”，有望突破传统育种的局限，实现棉花纤维品质的显著提升。

图2：亚基因组模块化设计育种的理论基础与实践方案

总结与展望

这一创新策略的提出，为棉花育种领域带来了新的希望和机遇。未来，结合表观遗传改良以及“基因组+基因编辑”工具组合，有望进一步突破遗传改良的上限，满足市场对高品质棉花的综合需求。这不仅将提升我国棉花在国际市场上的竞争力，还将为我国棉花产业的可持续发展提供有力的理论支持。

文章信息

尤佳琦，王茂军，张献龙。棉花纤维品质亚基因组遗传解析与模块化设计育种构想 (J/OL). 科学通报, 2025, 70 (19): 3168-3178.

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

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