从洁白如雪到五彩缤纷 棉花如何华丽变身？

　　作者：温天旺（江西农业大学讲师）

　　种植在田间的棉花通常都是雪白雪白的，而穿在我们身上的衣服却是五彩斑斓的。这些彩色的布料主要来源于工业印染加工。但自然界存在着一类彩色棉花，无需印染加工就可以纺织成彩色布料，被称之为“天然彩棉”，科学研究表明现在广泛栽培的白棉实际上是从天然彩棉中驯化而来。

　　天然彩棉的驯化和传统育种

　　现代农业生产中的动植物大都经历了一个漫长的驯化过程。早期人们只是单纯地从自然界中挑选人类所需的野生材料进行种植并留种繁殖，伴随着农业生产发展，人们不断地根据自己的需求对作物进行驯化（图1）。作物驯化往往会经历几个重要的过程，从野生种驯化到农家品种，再从农家品种培育为广泛种植的栽培品种。

图1 动植物驯化历史

　　棉花作为一种重要的经济作物，其驯化和育种历史久远。目前广泛栽培的陆地棉和海岛棉属于四倍体棉，被认为来自于二倍体棉融合加倍形成。众多四倍体棉的野生材料的纤维呈现出天然彩色，但在驯化和育种过程中人们逐渐选择了白色纤维的棉花作为主栽品种（图2）。

图2 棉花驯化过程（Rapp, 2010）

　　20世纪六十年代初，人们重新认识到彩棉的重要性，美国、埃及、秘鲁等18个国家相继开展彩棉研究与开发。我国于上世纪70年代开始进行彩棉的种质资源收集，最初从美国引进了一批彩棉种质资源，经过各科研单位和公司研究选育，获得了众多棕絮和绿絮的彩棉品种。自2000起至今，已成功选育并审定命名了32个彩棉品种，其中包括新彩棉1号到23号等一系列品种。

　　彩棉的优势和特征

　　天然彩棉之所以呈现彩色是由于棉纤维细胞在分化和发育过程中可以产生色素物质，色素物质可以在纤维细胞内积累从而形成具有颜色的纤维。

　　天然彩棉不需要漂白、印染、消毒等加工过程，减少了劳动力的投入和化学染料的使用，不会形成化学污染和化学残留；在处理此类天然彩色纤维时，可以采取填埋等方式，对环境不会造成污染，属于环境友好型原材料；另外天然棕色棉具有天然抗菌性以及良好的防火性能；特别适合纺织贴身衣物，具有质地柔软和穿着舒适的优势（图3）。

　　1998-2007年间，中国的彩棉种植面积从每年1万亩扩大到20多万亩，皮棉产量从每年800吨增加到每年2万多吨。目前中国的彩棉常年保持在10万亩以上，新疆地区为我国彩棉主产区。中国彩棉已经从研发、育种、种植、加工和销售携手形成了产业联盟，进入快速发展阶段。

图3 天然彩棉及其纺织品（Murthy, 2001）

　　现代生物育种阶段的彩棉基础研究和应用

　　目前彩棉以棕色和绿色两种类型为主（图4），颜色比较单一。针对天然棉花纤维色泽种类单调的问题，美国的Calgene公司曾将黑色素合成基因连接到pz启动子后，导入到棉花，转基因棉花产生深褐色或黑色的纤维。这种转基因的彩色棉已种了60000英亩。

图4 白棉、天然棕色棉和天然绿色棉（图片由石河子大学孙杰教授提供）

　　近年来，中国农科院棉花研究所、西南大学、华中农业大学和石河子大学都为彩棉育种和基础研究做出了重要贡献。西南大学和华中农业大学棉花课题组率先鉴定出棕色棉候选基因Gh_tt2，西南大学通过基因工程获得了转基因棕色棉，虽然颜色变浅了，但是纤维品质和产量有了提高，为彩棉生物技术育种工作做出了重要贡献。

　　2021年孙杰教授等人提出未来可以通过基因工程技术转入棉花内源或者外源物种的基因来创造更多色彩的彩棉品种，同时利用已有的高品质和产量的等位基因改良彩棉的设想。1981年，Schnepf和Whiteley克隆了来源于苏云金芽孢杆菌的Bt基因并被逐渐应用到抗虫棉育种中，抗棉铃虫Bt基因在棉花中的应用可以说是转基因技术在作物生物技术育种中的典范。1996-2015年，转基因棉花累计种植面积达3亿公顷，1997-2014年，转基因Bt棉带给中国农民的经济收益达175亿美元。

　　棉花研究和育种工作者同样期待彩棉生物育种可以和抗虫棉生物育种取得同样的成功，利用转基因技术创造出颜色多样，纤维品质和产量高的彩棉品种。从而为纺织工业提供更多无需印染的彩色纺织布料，为我国实现环境友好型社会做出贡献；2021年中央全面深化改革委员会第二十次会议审议通过了《种业振兴行动方案》，彩棉生物育种可以推进棉花种质资源创新，加快棉花种业振兴。

　　参考文献

　　1.Murthy MSS. Never say dye: The story of coloured cotton. Resonance, 2001, 6:29-35.

　　2.Rapp R, Haigler C, Flagel L, Hovav R, Udall J, Wendel J. Gene expression in developing fibres of Upland cotton (Gossypium hirsutum L.) was massively altered by domestication. Genome Biology, 2010, 8:139.

　　3.Wen T, Wu M, Shen C, Gao B, Zhu D, Zhang X, You C, Lin Z. Linkage and association mapping reveals the genetic basis of brown fibre (Gossypium hirsutum). Plant Biotechnology Journal, 2018, 16:1654-1666.

　　4.Yan Q, Wang Y, Li Q, Zhang Z, Ding H, Zhang Y, Liu H, Luo M, Liu D, Song W, Liu H, Yao D, Ouyang X, Li Y, Li X, Pei Y, Xiao Y. Up-regulation of GhTT2-3A in cotton fibres during secondary wall thickening results in brown fibres with improved quality. Plant Biotechnology Journal, 2018, 16:1735-1747.

　　5.Sun J, Sun Y, Zhu QH. Breeding next-generation naturally colored cotton. Trends in Plant Science, 2021, 26:539-542.