随着气温逐渐回升，全国各地陆续进入棉花播种期。棉花是世界上最重要的纺织纤维之一，从衣服到被子，再到日常生活中各种纺织品，都离不开棉花。然而，棉花的生长并不容易，它要面对干旱、盐碱、低温和病虫害等各种挑战。因此，如何培育更高产、更抗逆的棉花品种，是植物学家们一直努力的方向。
棉花育种改良离不开对棉花基因遗传分析等基础研究。近日，生命科学学院王凯教授团队联合浙江大学，成功完成了四倍体陆地棉标准系TM-1端粒到端粒的全基因组组装，首次揭示了多倍体作物着丝粒的动态演化规律。该研究成果在国际顶尖期刊《自然·遗传》（Nature Genetics）上发表，不仅填补了以往发表的棉花基因组版本中数万个空白区域，还首次系统解析了棉花26条染色体的着丝粒和端粒结构，为理解植物多倍体化后的基因组稳态与适应机制提供了关键线索，对棉花的进化及遗传改良具有重要意义，标志着我国在植物基因组学和多倍体演化领域取得了重大突破。
棉花基因组的复杂性超乎想象，我国科学家对棉花的基因研究已持续了近40年。目前共发现有45个二倍体种和7个四倍体种棉花，根据地理分布基因组类型，可以分为九组。但只有4个棉种已被驯化、改良，用于栽培生产纺织纤维，其中陆地棉是栽培最广泛的品种，约占90%产量，具有高产量、长纤维、广适应性等特性。王凯教授介绍道，作为异源四倍体种，陆地棉基因组结构复杂且重复序列高，这给基因组组装和解析带来了巨大的挑战。以往的基因组组装存在着连续性和完整性不足的问题，很多基因组区域的序列信息缺失，严重制约了对棉花基因组结构和功能的研究。
自2012年，我国科学家启动陆地棉基因组测序项目以来，成功完成初步组装，组装出的基因组长度为2068.1 Mb，但还存在数万个空白区域，尤其在着丝粒区域尤为显著。近年来，王凯教授团队专注于陆地棉基因组版本的改进和更新，并在这一领域不断取得进展。论文共同第一作者、生命科学学院韩金磊副教授表示，得益于超长读长测序技术（ONT）和高精度测序数据（PacBio HiFi），团队成功构建了陆地棉的端粒到端粒的完整基因组序列图谱，长度达到2299.6 Mb。研究表明，陆地棉标准系TM-1端粒到端粒的基因组包含79,642个高置信度蛋白编码基因，较以往版本新增了6,000多个基因，尤其在富含亮氨酸重复受体激酶等抗病、抗逆相关基因的注释上提升显著，为棉花遗传研究和育种工作提供了更加精确和详尽的数据基础。
填补基因组空白的同时，研究团队还揭示了陆地棉着丝粒序列的非对称演化机制。作为真核生物染色体的重要结构，着丝粒决定了细胞分裂过程中染色体的正确分离。团队发现，陆地棉着丝粒区域富含Gypsy类逆转录转座子，这些重复序列主要来源于其二倍体D祖先基因组。在多倍体化过程中，D基因组的着丝粒重复序列不仅自身扩增，还“入侵”到A亚基因组并大量增殖，驱动两个亚组着丝粒的动态平衡一致，最终维持多倍体基因组的遗传稳定。
此外，研究还发现陆地棉着丝粒较二倍体祖先有22个着丝粒发生明显扩张现象，并伴随染色体倒位、片段插入或缺失等结构变异。王凯教授表示，这些改变通过调控着丝粒微环境，从而“重塑”多倍体化的基因组，可提高棉花的生存能力，使其在复杂环境下依然能够稳定生长。这一新发现不仅为研究小麦、油菜等多倍体作物的基因组稳态和适应性演化研究提供了范式，也为棉花精准设计育种奠定了理论基础。未来，团队将进一步探索着丝粒变异驱动染色体稳定性及作物抗逆性的分子机制，为应对全球气候变化和粮食安全挑战提供新的育种策略。
加强基础研究是科技自立自强的前提条件与必然要求。生命科学学院积极响应校第四次党代会提出的“科技攀升行动”，聚焦生物科技前沿，坚持党建引领，发挥党员教授示范作用，组建13个科研团队，不断提升基础研究组织化水平，集聚力量进行原创性引领性科技攻关。近五年来，学院获批国家级项目33项，发表SCI论文300余篇。
除王凯教授团队外，学院专家教授在基础研究领域取得了一批原创突破成果。吴丽教授团队获国家重点研发计划青年科学家项目，围绕新型诊疗一体化硼药的开发，结合多模态成像技术、生物分布跟踪与代谢监测方法，不断提升硼中子俘获治疗技术的临床转化水平；刘东教授团队获国家自然科学基金重大研究计划资助，解析了内耳毛细胞结构及其衍生物的发生机制与生理病理功能，为深入探究耳聋和前庭障碍疾病的发病机制和干预的理论奠定了基础；张健教授团队对我国适合沿海滩涂和湿地种植的林木开展抗逆性早期鉴定关键技术研究，首创柳树抗逆性早期鉴定技术、抗逆快速进化基因和耐盐枢纽基因的发掘技术、柳树促成开花技术，荣获“梁希林业科学技术奖”，并在沿海地区进行应用推广。
（范苏/文 陈石森/摄）
