圖①：成熟的棉花纖維。

圖②：帶棉短絨的棉籽。

圖③：棉花秸稈。

圖④：棉花葉片。

圖⑤：棉鈴殼。

圖⑥：蝦青素工程棉花（右）與普通棉花對比。

以上圖片均為中國農業科學院棉花研究所提供

網友：看到最近有報道說，棉花能用于生產昂貴的蝦青素。我想知道，這是怎樣實現的？除了做衣服，棉花到底有多少“隱藏技能”？

編輯：看似普通的棉花，實際是一座“全能寶藏”。借助植物合成生物學技術，科學家不斷向深度和廣度挖掘棉花價值。本期“瞰前沿”我們邀請中國農業科學院棉花研究所研究員、西部農業研究中心研究員楊作仁，請他為我們揭秘棉花的“隱藏技能”。

從“長在植物上的布”到“抗氧化劑合成工廠”

棉花是“長在植物上的布”——棉鈴裂開，露出蓬松的纖維，經過紡紗、織布，可以變成衣服、棉被等紡織品。

棉花纖維根據長度可分為三大類：粗絨棉纖維粗短如板寸，織出的牛仔布緊密耐磨，抗撕裂強度是普通棉的兩倍；細絨棉憑借均衡的強度和透氣性，成為日常紡織品的絕對主力，應用領域包括貼身服飾、家紡、醫療防護（紗布、棉球）等，我國目前種植的棉花大多屬于此類；長絨棉具有纖維長、手感好等特點，常用于紡織高支紗，是高檔家紡及服裝的材料。

棉花可不僅僅是紡織原料。借助植物合成生物學等技術，棉花正從“纖維專家”升級為“功能工廠”。今年6月，中國農業科學院棉花研究所、生物技術研究所聯合西部農業研究中心合作創制出生產蝦青素的工程棉花，便是這方面研究的代表性成果。

蝦青素是天然抗氧化劑之一，其抗氧化能力遠高于維生素E、β—胡蘿卜素，被譽為“超級抗氧化劑”。蝦青素具有清除體內的氧自由基、增強細胞的再生能力、維持機體平衡、減少衰老細胞在體內堆積等作用，被廣泛應用于食品、飼料、制藥和化妝品領域。目前，天然蝦青素主要從雨生紅球藻和甲殼類生物（蝦、蟹等）中提取。然而，這些提取的產量有限，而且化學合成蝦青素的生物活性較低。

因棉株中含有豐富的蝦青素合成前體——類胡蘿卜素，棉花被認為是合成蝦青素的理想“代工廠”。科研人員通過3步打通了蝦青素合成途徑：先引入“關鍵鑰匙”，從萊茵衣藻“借”β—胡蘿卜素酮化酶，從雨生紅球藻“借”β—胡蘿卜素羥化酶；再安裝“生物導航”，給這些外源酶裝上質體定位信號，將其精準引導至“生產車間”；最后啟動“全株流水線”，在普通棉花“中棉所49”中植入基因表達模塊，最終培育出生產蝦青素的“TY工程棉”。

該工程棉花植株在幼苗期和成熟期的葉片、花器官、棉鈴、棉籽及棉籽油中均呈現蝦青素的特征性紅色，且不同組織中的蝦青素積累呈現梯度分布。富含蝦青素的工程棉花有何用途？在“TY工程棉”中，棉花就像裝上了“生物芯片”，變身“抗氧化劑合成工廠”。比如，棉葉片和棉鈴殼可開發動物飼料添加劑（替代人工色素），還可作為提取蝦青素的原料等；棉籽油的功效和附加值也升級了，棉籽油中的天然維生素E結合蝦青素，可提升抗氧化協同效應。

從棉籽到棉秸稈，棉花全身都是寶

纖維是棉花的“主業”，而棉花的“副業”早就已經應用在我們的生活中。

棉籽是棉花結出的“硬核果實”。棉籽油是我國傳統的食用植物油之一，榨油后的棉籽粕是我國種植生產的第二大飼用植物蛋白來源，可以作為牛羊等反芻動物和水產養殖的飼料。近年來，隨著加工設備和工藝技術的日趨成熟，棉籽蛋白產品的蛋白質含量和質量均得到顯著提升，棉籽濃縮蛋白受到很多水產飼料企業的歡迎。

棉籽殼也大有用途。棉籽殼含有4%—6%粗蛋白，含有43%—48%粗纖維，是食用菌栽培最主要的原材料之一。據報道，每100公斤棉籽殼，可分別用于生產平菇100公斤、香菇150—200公斤、金針菇160公斤、靈芝7—10公斤，是食用菌培養料的好選擇。此外，棉籽殼還可作為活性炭、糠醛、木糖、木糖醇等精細化工的原料，增值潛力大。

棉籽中還有“甜蜜素”——棉子糖。棉子糖是一種“低卡功能性低聚糖”，具有低熱量、不被人體消化吸收卻能促進腸道健康的特性，是健康食品的理想添加劑，適用于減肥食品、低糖食品，以及糖尿病患者的特殊膳食。另外，棉子糖在腸道內能被雙歧桿菌等有益菌優先利用，促進這些有益菌的增殖，從而改善腸道微生態環境，有助于增強免疫力，預防便秘、腹瀉等問題。

如果說對棉籽、葉片的利用是“挖掘內部潛力”，那么對棉短絨、棉秸稈等“廢料”的開發，則讓棉花向“全生物質利用”邁進。

軋棉機從棉籽剝離長纖維之后，棉籽上還留存大量的棉短絨，過去多被當作廢料，但它的用途實則不容小覷。棉短絨可被廣泛用于食品、醫藥、日化、塑料、電子、造紙、冶金、航空航天等領域，被譽為“特種工業味精”。用棉短絨制作的無煙火藥還是國防工業的重要原料。近年來，國外科學家發現，棉籽絨還可用于生產和制備可降解塑料薄膜。

棉花秸稈占棉花總生物量的50%以上，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，這些組分可以轉化為生物基材料、化學品和生物燃料等高價值產品。在畜牧生產上，棉花秸稈可作為牛、羊飼料使用。粉碎的棉花秸稈纖維配以水泥和砂，可制備水泥砌塊，有良好的力學性能。棉花秸稈還可作為固體發酵原料，用于生產高質量生物炭。

從“單一產出”到“多功能高值化”轉變

當一片棉葉、一粒棉籽都可以成為蝦青素的“微型工廠”，科學家開始不斷挖掘棉花這種古老作物的應用價值。在實驗室與產業界，棉花的應用范圍不斷拓展，編織著一張聯結農業、食品、保健品、能源、環保的立體網絡。

推動棉花從“單一產出”到“多功能高值化”轉變，合成生物學是關鍵技術支撐。除了創制可生產蝦青素的工程棉花外，科研人員還進行了諸多探索。

例如，中國農業科學院棉花研究所通過將火龍果里甜菜紅素的合成途徑導入棉花，培育出粉紅色纖維棉花；河南大學通過提高類胡蘿卜素合成強度，培育出金色纖維棉花。這些新型彩色棉花的培育，有望減少染料對環境的污染，并為消費者提供更多選擇。

基于合成生物學技術，以棉花為載體將會編寫更多高附加值產品的基因圖譜。例如，研發藍色、紫色、橙色等多彩棉；將棉纖維、棉葉片等作為細胞工廠，生產更多高附加值功能性化合物。隨著研究的深入，我們期待更多功能多樣、色彩豐富、環?？沙掷m的棉花品種問世。

從“單一產出”到“全能型選手”，棉花插上科技的翅膀，應用場景將持續擴大，覆蓋更多領域。

（作者為中國農業科學院棉花研究所研究員、西部農業研究中心研究員，本報記者喻思南采訪整理）