图①：成熟的棉花纤维。
图②：带棉短绒的棉籽。
图③：棉花秸秆。
图④：棉花叶片。
图⑤：棉铃壳。
图⑥：虾青素工程棉花（右）与普通棉花对比。
以上图片均为中国农业科学院棉花研究所提供
网友：看到最近有报道说，棉花能用于生产昂贵的虾青素。我想知道，这是怎样实现的？除了做衣服，棉花到底有多少“隐藏技能”？
编辑：看似普通的棉花，实际是一座“全能宝藏”。借助植物合成生物学技术，科学家不断向深度和广度挖掘棉花价值。本期“瞰前沿”我们邀请中国农业科学院棉花研究所研究员、西部农业研究中心研究员杨作仁，请他为我们揭秘棉花的“隐藏技能”。
从“长在植物上的布”到“抗氧化剂合成工厂”
棉花是“长在植物上的布”——棉铃裂开，露出蓬松的纤维，经过纺纱、织布，可以变成衣服、棉被等纺织品。
棉花纤维根据长度可分为三大类：粗绒棉纤维粗短如板寸，织出的牛仔布紧密耐磨，抗撕裂强度是普通棉的两倍；细绒棉凭借均衡的强度和透气性，成为日常纺织品的绝对主力，应用领域包括贴身服饰、家纺、医疗防护（纱布、棉球）等，我国目前种植的棉花大多属于此类；长绒棉具有纤维长、手感好等特点，常用于纺织高支纱，是高档家纺及服装的材料。
棉花可不仅仅是纺织原料。借助植物合成生物学等技术，棉花正从“纤维专家”升级为“功能工厂”。今年6月，中国农业科学院棉花研究所、生物技术研究所联合西部农业研究中心合作创制出生产虾青素的工程棉花，便是这方面研究的代表性成果。
虾青素是天然抗氧化剂之一，其抗氧化能力远高于维生素E、β—胡萝卜素，被誉为“超级抗氧化剂”。虾青素具有清除体内的氧自由基、增强细胞的再生能力、维持机体平衡、减少衰老细胞在体内堆积等作用，被广泛应用于食品、饲料、制药和化妆品领域。目前，天然虾青素主要从雨生红球藻和甲壳类生物（虾、蟹等）中提取。然而，这些提取的产量有限，而且化学合成虾青素的生物活性较低。
因棉株中含有丰富的虾青素合成前体——类胡萝卜素，棉花被认为是合成虾青素的理想“代工厂”。科研人员通过3步打通了虾青素合成途径：先引入“关键钥匙”，从莱茵衣藻“借”β—胡萝卜素酮化酶，从雨生红球藻“借”β—胡萝卜素羟化酶；再安装“生物导航”，给这些外源酶装上质体定位信号，将其精准引导至“生产车间”；最后启动“全株流水线”，在普通棉花“中棉所49”中植入基因表达模块，最终培育出生产虾青素的“TY工程棉”。
该工程棉花植株在幼苗期和成熟期的叶片、花器官、棉铃、棉籽及棉籽油中均呈现虾青素的特征性红色，且不同组织中的虾青素积累呈现梯度分布。富含虾青素的工程棉花有何用途？在“TY工程棉”中，棉花就像装上了“生物芯片”，变身“抗氧化剂合成工厂”。比如，棉叶片和棉铃壳可开发动物饲料添加剂（替代人工色素），还可作为提取虾青素的原料等；棉籽油的功效和附加值也升级了，棉籽油中的天然维生素E结合虾青素，可提升抗氧化协同效应。
从棉籽到棉秸秆，棉花全身都是宝
纤维是棉花的“主业”，而棉花的“副业”早就已经应用在我们的生活中。
棉籽是棉花结出的“硬核果实”。棉籽油是我国传统的食用植物油之一，榨油后的棉籽粕是我国种植生产的第二大饲用植物蛋白来源，可以作为牛羊等反刍动物和水产养殖的饲料。近年来，随着加工设备和工艺技术的日趋成熟，棉籽蛋白产品的蛋白质含量和质量均得到显著提升，棉籽浓缩蛋白受到很多水产饲料企业的欢迎。
棉籽壳也大有用途。棉籽壳含有4%—6%粗蛋白，含有43%—48%粗纤维，是食用菌栽培最主要的原材料之一。据报道，每100公斤棉籽壳，可分别用于生产平菇100公斤、香菇150—200公斤、金针菇160公斤、灵芝7—10公斤，是食用菌培养料的好选择。此外，棉籽壳还可作为活性炭、糠醛、木糖、木糖醇等精细化工的原料，增值潜力大。
棉籽中还有“甜蜜素”——棉子糖。棉子糖是一种“低卡功能性低聚糖”，具有低热量、不被人体消化吸收却能促进肠道健康的特性，是健康食品的理想添加剂，适用于减肥食品、低糖食品，以及糖尿病患者的特殊膳食。另外，棉子糖在肠道内能被双歧杆菌等有益菌优先利用，促进这些有益菌的增殖，从而改善肠道微生态环境，有助于增强免疫力，预防便秘、腹泻等问题。
如果说对棉籽、叶片的利用是“挖掘内部潜力”，那么对棉短绒、棉秸秆等“废料”的开发，则让棉花向“全生物质利用”迈进。
轧棉机从棉籽剥离长纤维之后，棉籽上还留存大量的棉短绒，过去多被当作废料，但它的用途实则不容小觑。棉短绒可被广泛用于食品、医药、日化、塑料、电子、造纸、冶金、航空航天等领域，被誉为“特种工业味精”。用棉短绒制作的无烟火药还是国防工业的重要原料。近年来，国外科学家发现，棉籽绒还可用于生产和制备可降解塑料薄膜。
棉花秸秆占棉花总生物量的50%以上，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些组分可以转化为生物基材料、化学品和生物燃料等高价值产品。在畜牧生产上，棉花秸秆可作为牛、羊饲料使用。粉碎的棉花秸秆纤维配以水泥和砂，可制备水泥砌块，有良好的力学性能。棉花秸秆还可作为固体发酵原料，用于生产高质量生物炭。
从“单一产出”到“多功能高值化”转变
当一片棉叶、一粒棉籽都可以成为虾青素的“微型工厂”，科学家开始不断挖掘棉花这种古老作物的应用价值。在实验室与产业界，棉花的应用范围不断拓展，编织着一张联结农业、食品、保健品、能源、环保的立体网络。
推动棉花从“单一产出”到“多功能高值化”转变，合成生物学是关键技术支撑。除了创制可生产虾青素的工程棉花外，科研人员还进行了诸多探索。
例如，中国农业科学院棉花研究所通过将火龙果里甜菜红素的合成途径导入棉花，培育出粉红色纤维棉花；河南大学通过提高类胡萝卜素合成强度，培育出金色纤维棉花。这些新型彩色棉花的培育，有望减少染料对环境的污染，并为消费者提供更多选择。
基于合成生物学技术，以棉花为载体将会编写更多高附加值产品的基因图谱。例如，研发蓝色、紫色、橙色等多彩棉；将棉纤维、棉叶片等作为细胞工厂，生产更多高附加值功能性化合物。随着研究的深入，我们期待更多功能多样、色彩丰富、环保可持续的棉花品种问世。
从“单一产出”到“全能型选手”，棉花插上科技的翅膀，应用场景将持续扩大，覆盖更多领域。
（作者为中国农业科学院棉花研究所研究员、西部农业研究中心研究员，本报记者喻思南采访整理）
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