类胡萝卜素生物强化技术创制"金色纤维"棉花种质资源

为解决合成染料污染和天然彩色棉(NCC)纤维品质差的问题，研究人员通过纤维特异性GbEXPA2启动子驱动CrtB和CrtI基因，成功构建了富含β-胡萝卜素的"金色纤维"棉花种质。该研究首次实现棉纤维中类胡萝卜素生物合成途径的定向改造，为开发新型环保彩色棉提供了创新策略。

　　

在纺织工业中，传统白色棉花需要经过化学染料加工才能获得丰富色彩，这不仅消耗大量水资源，还会产生含有重金属和致癌物的废水。天然彩色棉(NCC)虽具有环保优势，但现有品种普遍存在纤维短、强度低、色泽单一等问题，主要依赖苯丙烷类代谢产物形成的棕/绿色系。类胡萝卜素作为自然界广泛存在的脂溶性色素，能呈现从黄到红的丰富色阶，且在人体内具有维生素A原和抗氧化功能，是理想的新型彩色棉开发靶点。

中国农业科学院棉花研究所的研究团队在《The Crop Journal》发表论文，创新性地将"黄金大米"中的类胡萝卜素合成技术应用于棉花纤维。研究人员利用纤维特异性启动子GbEXPA2和组成型35S启动子分别驱动细菌源CrtB(植物八氢番茄红素合成酶PSY同源基因)和CrtI(八氢番茄红素脱氢酶)的表达，结合质体定位信号肽，成功在棉花纤维中重建了类胡萝卜素合成途径。通过HPLC和RT-qPCR技术对转基因棉花不同发育阶段(5-30 DPA)的纤维进行分析，并采用CottonScope系统评估纤维品质参数。

研究结果显示：

1. 材料与方法
   通过农杆菌介导法将改造后的"金色纤维"载体转入陆地棉品种晋668，获得T₀
   代转基因植株。选择两个独立转基因株系进行田间试验，采集中部果枝棉铃的纤维样本。

2. 结果
   2.1 转基因植株表型
   虽然转基因棉花植株形态与野生型无显著差异，但在纤维伸长期(5-20 DPA)明显呈现橙色，qPCR证实CrtB在10-20 DPA高表达，而35S驱动的CrtI在整个发育期持续表达。HPLC检测到β-胡萝卜素特异性积累，证实内源LYCB酶将合成的番茄红素转化为β-胡萝卜素。

2.2 色素稳定性与纤维品质
随着纤维次生壁增厚(>20 DPA)，色素逐渐降解，成熟纤维恢复白色。品质分析显示转基因纤维上半部平均长度和强度显著降低，但断裂伸长率提高，均匀度指数和马克隆值无变化。这表明类胡萝卜素合成可能竞争了纤维伸长所需的代谢资源。

该研究首次证明通过合成生物学手段可以在棉花纤维中重建类胡萝卜素合成通路，创制出新型"金色纤维"种质资源。尽管色素稳定性问题仍需解决——可能通过引入神经孢子菌的胞质合成途径来规避质体降解问题，但这项工作为开发多色系NCC提供了全新思路。研究同时揭示纤维发育不同阶段对外源代谢途径的差异性响应，提示未来可采用时序特异性启动子来协调色素合成与纤维发育的关系。这项成果不仅对可持续农业发展具有重要意义，也为植物合成生物学在特种经济作物中的应用提供了范例。