由于價(jià)格下跌和天氣模式無法預(yù)測，這對(duì)美國棉農(nóng)而言是艱難時(shí)期，但德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Z. Jeffrey Chen領(lǐng)導(dǎo)的新研究可能會(huì)為該行業(yè)帶來突破。他和一個(gè)團(tuán)隊(duì)邁出了第一步，通過一種稱為表觀遺傳修飾的過程，以一種新的方式培育更有活力，更高產(chǎn)的棉花。

近幾十年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)生物中的許多特性不僅受其遺傳學(xué)控制 - 它們的DNA代碼中所寫的內(nèi)容 - 而且還受DNA外部的過程控制，這些過程決定了基因的表達(dá)，時(shí)間和程度，稱為表觀遺傳學(xué)。這開辟了培育植物和動(dòng)物的全新方式的可能性。通過選擇性地打開和關(guān)閉基因表達(dá)，育種者可以在不改變基因的情況下創(chuàng)造新品種。

在這項(xiàng)最新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了500多種在野生棉花品種和馴化棉花之間進(jìn)行表觀遺傳修飾的基因，其中一些已知與農(nóng)藝和馴化特性有關(guān)。這些信息可以幫助選擇育種者想要改變的特性，如纖維產(chǎn)量或抗旱，抗熱或害蟲。例如，野生棉花品種可能含有幫助它們更好地應(yīng)對(duì)干旱的基因，但在馴化棉花中已表觀遺傳。

“這種理解將使我們能夠通過表觀遺傳育種來補(bǔ)充遺傳育種，”分子生物科學(xué)系植物分子遺傳學(xué)的DJ Sibley Centennial教授陳說。“由于我們現(xiàn)在知道表觀遺傳變化如何影響開花和應(yīng)激反應(yīng)，你可以重新激活馴化棉花中的應(yīng)激反應(yīng)基因。”

在今天發(fā)表在“基因組生物學(xué)”雜志上的一項(xiàng)研究中，陳和他在德克薩斯A&M大學(xué)和中國南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的同事報(bào)告說，他們制作了一個(gè)“甲基化組” - 一系列基因和遺傳元素，這些基因和遺傳元素通過天然物質(zhì)開啟或關(guān)閉過程稱為DNA甲基化。甲基化組為希望通過表觀遺傳修飾來適應(yīng)作物的生物技術(shù)公司提供重要線索。該甲基化組覆蓋了最廣泛種植的棉花，稱為陸地棉或美國棉;它的堂兄，皮馬或埃及棉;和他們的野生親屬，同時(shí)展示這些植物如何變化超過一百萬年。

“了解甲基化在進(jìn)化和馴化過程中如何變化將有助于使這項(xiàng)技術(shù)更接近實(shí)際，”陳說。

棉花是世界上種植的頂級(jí)纖維作物，有超過150個(gè)國家參與棉花出口和進(jìn)口。美國經(jīng)濟(jì)受棉花刺激的年度營業(yè)收入超過1000億美元，成為美國第一大增值產(chǎn)品。

研究人員發(fā)現(xiàn)DNA甲基化的變化發(fā)生在野生品種組合形成雜交種，雜交種適應(yīng)環(huán)境變化，最后，人類馴化它們。一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，允許棉花從適應(yīng)僅在熱帶地區(qū)生長的植物轉(zhuǎn)變?yōu)樵谑澜缭S多地方生長的植物的變化不是遺傳變化，而是表觀遺傳變異。

研究人員發(fā)現(xiàn)，野生棉花含有一種甲基化基因，可以防止它在白天長時(shí)間開花 - 因?yàn)樗鼈冊(cè)谙奶旌芏嗟胤剑绹椭袊?。在馴化的棉花中，同一基因失去了這種甲基化，使基因得以表達(dá)，這種表觀遺傳變化使棉花走向全球。

陳說，現(xiàn)代育種者可以用化學(xué)物質(zhì)或通過修飾的基因編輯技術(shù)(如CRISPR / Cas9)修飾基因甲基化。這些方法可以讓育種者對(duì)植物的表觀基因組進(jìn)行有針對(duì)性的改變，并創(chuàng)造出具有改良性狀的新品種。表觀遺傳育種不僅可以應(yīng)用于棉花，還可以應(yīng)用于許多其他主要作物，如小麥，油菜，咖啡，馬鈴薯，香蕉和玉米。

這項(xiàng)新研究建立在迄今為止最完整的美國(或Upland)棉花基因序列圖譜的基礎(chǔ)上，該圖譜也是陳和他的合作者在2015年開發(fā)的。

早期的研究追溯了馴化棉花的起源150萬年，當(dāng)時(shí)兩種不同的野生物種形成了一種混合物，最終產(chǎn)生了現(xiàn)代的陸地棉和皮馬棉種。Chen和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，今天制造的類似雜種中的DNA甲基化變化與野生和栽培棉花中的DNA甲基化變化相同，這表明這些變化通過進(jìn)化，選擇和馴化持續(xù)存在。對(duì)于想要確保他們今天所做的改變不會(huì)在后代迅速消失的育種者而言，這是個(gè)好消息。