团队负责人张天真教授一直从事种质创新、基因组学、植物精准育种理论与技术和棉花新品种选育，在基因组学和分子育种学等研究领域享有国际声誉。两次担任国际棉花基因组计划主席。对保持我国棉花基因组学和分子育种研究领域的国际领先地位发挥了重要的带头作用。2016年被授予Cotton Biotechnology Award。
  本团队建立了从基础研究到育种利用有机结合的研究体系，取得系统性、创造性的学术成就。2016年引进浙大以来，组装出高质量异源四倍体栽培棉种基因组，首次分离调控棉纤维和腺体毛发育等重要功能基因。揭示了从“树棉”到“美棉”，再到全球最大纤维作物-棉花的起源、进化和驯化改良分子机理。

图1：浙江大学棉花精准育种研究团队介绍        图2：棉花是世界上最重要的纤维作物和纺织工业原料   图3：陆地棉比海岛棉表现出更好的环境适应性，其秘密在于，逆境条件下，海岛棉比陆地棉中有更多逆境响应基因被激活

    为了成为顶级植物纤维，它要比同类多努力10天
    棉花是人类最为重要的纤维作物和纺织工业原料，每年有2500万吨棉花从农田来到工业生产线，最终成为我们的衣物、床品甚至纸币。但是这其中仅有3%的棉花被称为“棉中极品”，它们拥有更长、更强、更细的棉纤维。
    这种顶级植物纤维从何而来？2019年3月18日，国际学术期刊《Nature Genetics》发表了浙江大学农业与生物技术学院张天真教授带领的国际科研团队的最新研究成果，他们分析了全世界栽培棉花的起源和种间分化遗传机制，从基因层面向人们分析了顶级植物纤维成长的“秘密”。 
    长长的纤维，长长长
    棉花不是“花”，而是覆盖在种子表面的绒毛。
    生物学家索尔•汉森在《种子的胜利》一书中说，棉花这样的植物“不遵循规则”。棉籽并不注重防御，而是将最外层用于传播。“飞行和漂浮成为一个巨大的进化诱因，使得每个细胞都从微小的光点变成了长长的细丝。”
    是的，一根棉纤维就是一个细胞，每根毛就是只有一个细胞的宽度，长度却有3-4厘米。这是世界上最长的单细胞之一。目前能够超越这一长度的植物单细胞只有亚麻的韧皮细胞。
    在张天真老师的实验室，我们尝试对一颗棉铃“抽丝剥茧”。胡艳老师说，棉铃在生长后期就会脱水爆裂开来，如果我们撕开缠绕的棉絮，会得到一手把干黄豆大小的黑黑的棉籽。令人惊讶的是，棉絮也是种皮不可分割的一部分，撕起来很费力，它们是从三分之一的种皮细胞凸起分化而来。据说一粒棉籽可以轻松长出两万多根纤维组成的“毛外衣”，如果按照每颗棉铃有32颗种子来计算，一颗棉铃就有50多万根纤维交织在一起，首尾相接，可以绵延30公里。
    正是这种纤长柔软的纤维，赋予了棉花种子“乘风”、“破浪”的生存技能，而更为重要的是，这一优良的特性被人类捕捉，伴随着人类文明绵延数千年。棉花形成的产业塑造了帝国历史、工业革命和美国南北战争。
    “纤毫”之差
    追溯棉花的身世，陆地棉与海岛棉源自共同的祖先，那是一段传奇。
    大约100-150万年前，一粒在热带非洲绽放的棉铃乘风而动，它轻盈的身躯飘入大海，经过数百公里的长途跋涉，一路漂到了中美洲墨西哥海岸。在那里，非洲棉与“原住民”雷蒙德氏棉相遇了，两种二倍体棉花杂交后形成了一类新的棉花：四倍体棉花。根据张天真实验室早先的研究，正是这场“跨海联姻”，造就了人类当前普遍栽培的四倍体棉花的共同祖先。
    我们每个现代人都应该致敬当年那场“跨海联姻”。无论是穿的衣服、用的毛巾、床品，甚至纸币，都离不开从棉花而来的纤维。8000多年来，经过人类世代栽培驯化，四倍体棉花在全世界广泛分布，成为了全世界最主要的纤维作物，每年创造着5000多亿美元的产值。《乱世佳人》里曾描述工业革命时期美国南部的棉花种植场景：棉花就是这个地区的心跳，种棉花和收棉花是红土地的心脏舒张和收缩。”
    但是，庞大的棉花家族内部数量却极端不平衡。其中陆地棉占世界棉花总产的90%以上，而海岛棉占比只有3%。前者产量高，适应性广，可以在温带广泛种植；而后者具有更优质的棉纤维：更长、更强、更细，织成衣物后呈现着柔软的丝光之地，也更有润滑的手感，是顶级奢侈品的御用纤维。
    “努力”二字，写在基因里
    一根陆地棉的纤维一般长31毫米以下，而海岛棉则有33.4~40毫米。“怎么培育出纤维更长、更细、强度更好的棉花？”在中国新疆，一家大面积栽培棉花的面料企业向科学家提出了疑问。眼前的事实是，优异特性的海岛棉是一种性情挑剔的作物，适应性不及陆地棉，因此前人的尝试多是以“南橘北枳”的结局告终。
    张天真认为，要完成这项挑战，必须去“精读”棉花的基因与基因组，这样或许能帮助人类更好地进行驯化与改良。科研人员采用了NRGene公司的第三代基因组装技术，结合光学图谱、超高密度遗传图谱、Hi-C等辅助手段，组装出了陆地棉遗传标准系TM-1和我国自育的海岛棉品种Hai7124染色体水平基因组，“清晰度”与完整性前所未有。
   “染色体的着丝粒是DNA序列高度重复的区域，传统的方法容易误读或者‘漏读’，而在我们最新的研究中，这个区域完整性的提升尤为明显。”张天真介绍，他的实验室曾于2015年组装出陆地棉第一代基因组，“当时可以说是一个基因组的框架，而现在我们知道了更多的细节。”
    在这张基因图谱里，科学家看懂了顶级纤维的“秘密”
    在开花当天，棉花胚珠光滑的表皮开始出现凸起，约三分之一的种皮细胞逐渐伸长，分化成为棉纤维。陆地棉纤维细胞的伸长期比海岛棉短10天左右，陆地棉大约在开花后23天以前伸长停止，而海岛棉伸长持续到开花后33天左右。“你可以这样理解，海岛棉的‘青春期’比陆地棉长，所以纤维更长”，关雪莹说 。
    在电镜下，科学家给棉纤维拍了照。棉纤维的表面并不平滑，而是有周期性的螺旋，海岛棉的螺旋分布要比陆地棉更为细密，螺距更短，这可能是它更为强韧的原因。
    基因告诉科学家这些性状背后的遗传机制：棉花的种皮大约有7万多组基因，其中70%的基因都先后参与到纤维的发育中，“它们大规模地集中力量做一件事，那就是向前伸展。”张天真说。在海岛棉中，蔗糖转运、离子转运、液泡转化酶等相关基因的活跃期远远长于陆地棉。“这些物质的输送让细胞内的液泡内外产生渗透压，给予细胞一个向前伸展的力量。”胡艳说。
    海、陆基因组分析对比中，科学家还读出了陆地棉适应性强的秘密。“我们发现，陆地棉中有更多的乙烯、ABA信号被激活，这帮助植物更好的适应冷热环境，这可能与陆地棉的光适性密切相关。”张天真说。
    这或许为人类驯化更为优质、适应性的棉花打开了一扇门，将来，我们每个人或许都能拥有一件丝光、柔滑，不易起皱的长绒棉衬衫。

转自——《为了成为顶级植物纤维，它要比同类多努力10天》，浙江大学学术委员会公众号“求是风采”2019年3月21日报道。
    嘿，你该发芽了！种子有感而“发”的秘密
    美国作家梭罗说过：只要你有一粒种子，我就准备看到奇迹。2019年1月初，一粒棉花的种子创造了奇迹，登录月球背面的月球车上，它倔强地萌发了，成为第一种在外星球成功萌发的植物。
    种子是如何感知环境然后发芽的？最近，浙江大学农学院张天真教授课题组在棉花中找到一个小分子“开关”HSP24.7，它能直接感知环境温度并调控种子的萌发。如果缺少这个蛋白，即使周围温暖和煦，棉花仍像置身于低温，继续“沉睡”。
    相关论文今年2月在PNAS杂志发表，学界认为，这一发现为人类认识植物温度响应的分子机制掀开了一角，在作物种子生产、保存和育种中都具有重要的应用意义。
  “抢跑”的种子们
    论文共同第一作者，马卫博士是在一次偶然中发现研究线索的。那时，他正在做一组棉花种子的耐逆实验。
    棉花种子是世界上最有“耐力”的选手之一。作为起源于非洲和中美洲的热带植物，经过数千年的演化，棉花的足迹已经遍布亚洲、南美洲、北美洲等地。当年哥伦布在加勒比海地区遇到棉花的时候，他理所当然的认为这是到达亚洲海岸的另一证据；达尔文随英国皇家海军舰艇贝格尔号考察达加拉帕戈斯群岛，也带回了野生的棉花标本。科学家因 此推测，棉花种子具有“随风飘动，随波逐流”的本领，让棉花实现了跨越大洋的全球传播。
   “棉花耐寒、耐盐、耐旱，才使长途水陆‘旅行’得以可能。”共同作者之一，浙大“百人计划”学者关雪莹说。实验室试图寻找与棉花耐力相关的基因，以用于作物精准育种。而在实验中，马卫博士惊奇地发现，一批棉花种子明显“抢跑”了：正常情况下，棉花种子在吸足水分后24小时开始萌发，但是其中一组的时间量几乎提前了一半，在12小时的时候就陆续萌发了。
   “这现象漂亮得让人不敢相信。”关雪莹说，为了消除“习惯性怀疑”，科学家请另一位研究生重新做了一组实验，结果显示 “抢跑”现象依然显著。是什么导致了种子“抢跑”？课题组决定重新设计实验，去寻找控制种子萌发的“发令枪”。
   “扳道工”HSP24.7
    众所周知，温度、光照、水分是决定植物种子萌发的重要外因，但是，这些外因如何被植物感知，并启动一系列体内反应，相关的分子机制依然模糊，激发着许多科学家的好奇心。
    通过一系列实验，课题组发现“抢跑”的种子们确实不一样。它们体内一个小分子热激蛋白（small heat shock protein）HSP24.7的含量特别高。实验中，科学家调整HSP24.7的表达量，仿佛就能调控种子对环境温度的感应。抑制棉花的HSP24.7表达，即使温度适宜，种子也萌发缓慢，仿佛一直处于低温环境。如果HSP24.7的活跃表达，棉花种子则迅速萌发，在低温时也可以迅速完成。“它可能是植物的温度感受器，”关雪莹说。
   “我们进一步发现，HSP24.7是通过调控线粒体的活性完成温度响应的。”张天真说。HSP24.7含量升高，能让线粒体产生更多活性氧，加速种子萌发。
    实验室向杂志社递交他们的实验发现，一位审稿人提出了疑问：我们知道，活性氧过量可能会损害植物健康，“HSP24.7含量升高会导致活性氧过量吗？”
    课题组的另一组实验解开了这一疑问，“HSP24.7是一个聪明的‘扳道工’。”关雪莹说。实验显示，在种子萌发的三个小时之后，HSP24.7会诱导另外一条途径让活性氧迅速衰减，同时保证线粒体高效持续提供能源。“活性氧只在关键的时候大量出现，完成使命后，就迅速消失了。”
    分镜头慢放：种子萌芽过几道门？
    种子萌发有一个“破壳而出”的过程，种皮破裂，胚芽萌出。马卫解剖了出于不同萌发时期的棉花种子，试图“分镜头”解析种子萌发的全过程。他发现了另一“暗门”——胚乳膜。
    胚乳膜位于种皮的内层，包裹在胚芽之外，是胚乳的营养被吸收后留下的残余。它很不起眼，最厚的地方有10层细胞，而最薄的地方只有2层细胞。但马卫发现，胚乳膜其实是种子萌发的关键的机械束缚。“HSP24.7控制的种子萌发速度快慢，并不是胚的活力差异造成的，而是胚乳膜的强度。”
    一组力学实验帮助课题组更加清楚的了解其中的机制。课题组用一根针去探测不同萌发时期的胚乳膜的强度，数据显示，萌发之后的胚乳膜强度明显下降了。
至此，植物感受温度并控制种子萌发速度的机制终于有了一个清晰的途径：HSP24.7感受到适宜的温度时大量表达，适度抑制线粒体活性，释放活性氧，促成了胚乳膜内关键组分的降解，胚乳膜强度减小，种子顺利萌发。“我们还在拟南芥和番茄种子中做了相关实验，发现这一机制在双子叶植物中是普遍适用的。”张天真说。
    如何赢在“起跑线”
    种子萌发是植物生命周期开始的第一步。作为人类最为重要的农作物之一，人们希望田里的棉花们能“统一步调”，而不是各有节奏，这样才能高效地实现同步采收，这也是农作物精准育种的目标之一。“当我们知道植物感知温度的分子机制，可以更好得用于棉花的育种。”张天真说。
    我国是棉花种植大国，新疆产出了全国棉花的80%以上，其特殊的气候环境对于种子的质量提出了更高的要求。种子对于温度响应的分子机制的发现，将进一步指导人们怎样在低温、干旱、盐碱地种出更好的棉花。

转自——《嘿，你该发芽了！种子有感而“发”的秘密》，浙江大学学术委员会公众号“求是风采”2019年3月7日报道。