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Zhao R, et al. Integrated multi-omics analysis to elucidate the genetic basis of seed traits in cotton. Journal of Advanced Research. Available online 2026-04-16.

DOI 10.1016/j.jare.2026.04.046

棉花，既是纺织工业的主要原料，也是油脂与蛋白的重要来源。在棉花育种中，种子大小，直接决定棉花发芽成活率、幼苗长势、产量潜力，甚至纤维长度与强度。

长期以来，棉花种子大小是典型的多基因控制复杂性状，传统单一组学研究 “精度低、效率差”，难以锁定关键调控基因。

近日，中国农业科学院西部农业研究中心分子遗传改良创新团队在Journal of Advanced Research发表题为“Integrated multi-omics analysis to elucidate the genetic basis of seed traits in cotton”的研究论文。该研究围绕棉花种子大小，按表型测定、遗传定位、转录组筛选、功能验证、代谢解释的顺序推进，成功破解棉花种子大小的遗传调控机制，精准找到核心调控基因GhCSS10，为棉花的遗传改良提供了关键靶点。

图1 研究整体流程图

01破局 高通量表型平台，精准捕捉种子性状

传统棉花种子表型测量依赖人工，误差大、效率低、主观性强。为彻底攻克这一痛点，研究团队与谷丰光电联合研发了高通量智能种子表型平台——多功能平板考种仪，实现种子图像自动采集、分割、特征提取：

一次性测量：长度、宽度、面积、周长、长宽比、圆度、籽指7大种子性状，全程无人工干预；

精度：种子长度R²=0.962、宽度R²=0.975，远优于传统人工测量；

高通量：短时间处理数千粒种子，彻底告别 “慢、准、偏” 的传统测法。

使用高通量智能种子表型平台远超传统测量方法，为后续基因定位提供超高质量表型数据。

02升级 PCA降维+GWAS，大幅提升基因定位效力

棉花种子大小是复杂数量性状，单一性状GWAS易丢失遗传信号。研究团队创新采用PCA对7个性状降维，PC1单独解释70.2%表型变异，完美整合种子大小核心信息，且遗传力高达0.713，远高于单一性状。

基于PC1的GWAS分析，精准锁定A10染色体主效位点qCSS10，该位点解释14.19%表型变异，是调控棉花种子大小的核心基因组区域。

图2 PCA和PC1 GWAS

03精准 聚类+WGCNA，锁定种子大小枢纽基因

研究团队对413份棉花材料开展K-means聚类，将材料划分为大、中、小籽3个类群，筛选代表性材料开展6个种子发育时期转录组测序。

通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），鉴定到与种子大小显著正相关的绿色模块，从中筛选17个高连通性枢纽基因，构建种子大小调控核心基因集。

04突破 共定位策略，一键锁定关键基因 GhCSS10

研究团队创新采用GWAS位点基因+WGCNA枢纽基因共定位策略，两大数据集交叉验证，仅筛选到1个重叠基因——GhCSS10（Gh_A10G245100），成为调控棉花种子大小的核心候选基因。

该基因编码细胞色素P450单加氧酶CYP90A1，参与油菜素内酯合成通路，是植物生长发育的关键调控因子。

图3  WGCNA模块和hub gene网络

05机制 代谢组解析GhCSS10调控种子代谢转换

为明确基因调控机制，研究团队开展广泛靶向代谢组分析，检测2363个代谢物，发现棉花种子发育分为两个关键阶段：

1.早期（3-20DPA）：能量激活、细胞扩张，富集辅酶代谢、信号转导、糖脂代谢通路；

2.后期（25-35DPA）：碳水化合物沉积、籽粒灌浆，富集淀粉蔗糖代谢、脂质重塑通路。

GhCSS10作为核心调控因子，精准协调两个阶段的代谢转换，通过调控能量供应与物质积累，最终决定棉花种子大小。

图4  GhCSS10功能验证

06意义 棉花分子育种迎来全新靶点

这项研究实现三大核心突破：

1.建立多组学整合+共定位的高效基因挖掘策略，突破传统单一组学精度低、效率差的瓶颈；

2.鉴定GhCSS10为棉花种子大小正向调控基因，明确细胞形态与代谢层面双重调控机制；

3.为棉花高产优质分子育种提供核心靶点，可通过基因编辑、转基因技术快速培育大籽高产棉花新品种。

07总结 多功能平板考种仪助力全作物精准育种

该研究不仅破解了棉花种子大小的遗传密码，更为玉米、水稻、大豆等作物复杂农艺性状的基因挖掘提供了可复制的技术范式，全面推动作物分子育种跨入多组学新时代！

研究核心利器 ——多功能平板考种仪

谷丰光电×中国农业科学院西部农业研究中心分子遗传改良创新团队联合研发，打造“设备+软件+数据”一体化体系，全面提升表型数据采集的标准化水平与作业效率。

设备亮点

1.硬件革新，高效稳定

一键同步采集作物籽粒平面图像与重量数据，配备高分辨率相机与均匀柔光 LED光源，成像无畸变，样本高通量处理更高效、数据输出更稳定。

2.算法智能，精准可靠

搭载自研图像处理算法，精准提取多项表型指标，测量精度高、数据一致性强。

3.全域适配，一机多用

不仅适配棉花种子检测，还可检测小麦、水稻、玉米、大豆等各类作物籽粒，一机满足多作物考种需求。