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包穎:“綿里藏針” 破解棉花基因密碼

包穎,曲阜師范大學生命科學學院植物學專業教師,二級教授,博士生導師,教育部新世紀優秀人才、山東省有突出貢獻的中青年專家。博士畢業于中國科學院植物研究所,曾分別以高級訪問學者、訪問學者的身份到美國愛荷華州立大學交流學習。近年來,先后主持承擔4項國家自然科學基金面上項目和多項省部級項目;多篇論文在Nature Communications、PNAS等行內頂級SCI期刊上發表。

服務重大現實需求

《自然-通訊》成果是這樣“煉”成的

棉花是世界上最重要的經濟作物之一,它產生的天然纖維被列入人類對植物進行基因改造最為成功的“作品”之列。正是因為人類精準、有效的基因調控,這種植物種皮毛的形態發生了巨大改變,從野生狀態的短小、稀疏、粗糙、褐黃發展到目前栽培狀態下的細長、柔軟、稠密和潔白。

為什么會發生這些神奇的變化?蘊藏在形態變化背后的分子機制一直是各國研究者非常感興趣的問題。而理清這些機制,對于改良棉種品質、提高棉花產量等具有重要意義。

于是,我們的研究團隊立足分子進化,從棉花外在形態變化反推其遺傳驅動機制,不斷探索棉花多倍體中倍增基因、基因家族和基因組的進化特點,回溯棉花由野生到栽培過程中的自然選擇和人工馴化過程。

棉花種子表皮毛在野生和栽培物種間的形態比較

有趣的是,我們發現,盡管野生和栽培棉花之間在調控網絡上發生了復雜的重構,但馴化引發的順式和反式調控改變在數量上卻幾乎是相同的,顯示了人類馴化對兩種調控模式的非偏倚性。

我們還發現,作為典型的異源四倍體作物,棉花中兩個相異的亞基因組在表達和調控水平上的革新在很大程度上并不相互關聯,這種不關聯性更加大了亞基因組疊加后的代謝途徑和調控網絡的復雜性,這一研究成果最終發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上,得到了業內高度關注。

科研的魅力就是

不斷的追問和求索

 科研的魅力就在于不斷地追問,不斷地探索未知。這一探索的過程,需要涉足“無人區”,無疑是漫長的、艱辛的。但這恰恰是科研的魅力所在。

正如我們一直堅持的棉花研究,一直以來,大多數研究主要是針對單基因的順反調控,很少有研究從全基因組的角度,來探索整個調控體系的變化,力圖理清棉花馴化背后錯綜紛雜的調控格局非常困難且具有很大挑戰性。

針對這種現狀,我們團隊聯合國際著名的進化研究領域專家Jonathan F. Wendel團隊,經過潛心研究和不斷討論,另辟新徑,通過比較基因在親本和雜種內的表達變化,來反推基因在親本間的表達差異背后的順反調控類型。經過基礎實驗、數據編程反復計算、不斷求證,前后歷時六年,終于解析了棉花馴化和自然進化過程中順反調控網絡的布局特征。這些系列研究結果,對于解析棉花品質改良的遺傳機制、提升棉花分子育種的有效性等具有重要意義。

求索的過程固然是艱辛的,但卻充滿了挑戰的樂趣。在研究有趣科學問題的過程中,團隊成員總是能夠發現生命的復雜、精巧、奇妙,從而更加樂在其中。

破譯基因密碼

最重要的是心態好

我們選中棉花作為研究對象,除了棉花本身的經濟意義之外,更多的是驚訝于棉花纖維從無到有的神奇變化,希望能找到控制這些表型變異的功能基因。要高質量地完成這些研究,就意味著大部分時間得泡在實驗室里,穿梭在各種儀器中間,在錯綜復雜又變化多端的基因網絡中,解鎖著最關鍵的一環。

這其中,除了日復一日、“不見天日”泡在實驗室里,每天與冷冰冰的儀器打交道,忍受枯燥、冷寂,告別室外的喧鬧。最考驗人的,是心態。當階段性結果沒有達到預期,可能就要推翻重來,并對實驗方案進行一次次的調整和修正。

我們所研究的棉花,看起來是綿軟的,但洞徹其中的奧秘,卻需要方向的聚焦,需要堅韌的意志力,需要下“綿里藏針”的硬功夫。

科研就是這樣,雖然難,但貴在堅持,貴在不斷地前進每一小步。接下來,我們將繼續開展更高質量的棉花基因研究,不斷破譯棉花基因密碼,助力棉花分子育種實現新突破,讓我們國家的高產優質棉遍地開花。

發布:曲阜師大新聞中心

欄目主持人:孫紅梅

責編:劉永禮

終審:孫祥廣


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