北京时间9月16日晚，华中农业大学棉花团队王茂军教授课题组在国际学术期刊《细胞》在线发表研究论文，首次发现染色体三维空间结构是棉花品种改良的全新靶点，为丰富棉花种质遗传资源、培育优质高产棉花新品种开辟了新的科研方向。
棉花纤维的品质密码不只写在基因序列里，还藏在基因的空间折叠方式中。通俗地讲，基因在细胞核里如何排布、如何折叠，同样决定着纤维的优劣。过去农作物育种主要聚焦于DNA序列上的一个个“点位”基因，无法看到DNA链条在细胞核内的折叠、缠绕以及由此产生的基因调控过程。王茂军介绍，棉花长期驯化和定向育种在改善纤维品质的同时，也伴随着栽培棉遗传多样性的持续下降，可利用的优异变异日益有限，突破传统线性DNA变异视角成为阐明纤维品质遗传改良分子基础的新切入点。
研究团队选取301份涵盖半野生、人工栽培的陆地棉种质资源，针对棉花纤维发育过程，完成了337套高精度染色质空间结构数据采集，成功搭建出棉花群体纤维泛三维基因组图谱。这一图谱让科研人员可以直观对比不同棉花品种的染色质立体结构，还能对驯化过程中的结构变化进行精准量化分析。
传统全基因组关联分析虽然可以研究哪些DNA变异与性状相关，却难以解释大量非编码变异如何通过所处的核内空间结构影响基因表达和表型。为此，研究团队自主研发出染色质互作组关联分析方法CIWAS，将TAD边界绝缘强度和染色质环互作强度作为可量化的分子性状，搭建起“基因变化—基因表达—纤维品质”的完整关联体系。借助这一方法，团队筛选出39个优质TAD边界和20个核心染色质环，这些三维结构位点均为改良棉纤维品质的全新优质靶点。
研究还发现了一个耐人寻味的现象：在棉花驯化过程中，基因序列的选择和空间结构的选择并不完全“同步”。有些种质从DNA序列上看已经和栽培棉很接近，空间结构却仍保留着独特差异。这意味着，仅凭基因序列判断遗传多样性会漏掉相当一部分变异，而那些“序列相似、结构不同”的野生棉种质，恰恰是被长期忽视的资源宝库。
王茂军表示，三维基因组图谱的绘制让研究人员重新看见了这些种质的潜在价值，也为突破栽培棉遗传多样性瓶颈、拓展育种资源提供了科学依据。该研究揭示的三维基因组规律还可为小麦、油菜等重要多倍体作物的改良提供借鉴，标志着我国在这一国际前沿领域迈出关键一步。未来，随着这一成果与精准育种技术深度融合，我国棉花育种有望从“改良基因”走向“重塑空间结构”，为保障国家种业安全、端牢中国饭碗提供更加坚实的科技支撑。
值得一提的是，这是《细胞》期刊历史上首篇关于棉花的研究论文。中国工程院院士张献龙带领团队开展相关研究，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室为论文主要完成单位。