JIPB | 郑州大学商海红/袁有禄团队发表综述文章: 陆地棉纤维长度的遗传调控

棉花 (Gossypium spp.) 在全球农业和纺织业中具有核心地位, 是全球重要的农业产品和工业原料, 每年为世界经济贡献超过6,000亿美元。它直接和间接地支撑着全球超过3.5亿人的生计。棉纤维是棉花的主要产品, 其在纺织工业中的占比达到全球纤维总量的35%以上。棉纤维的品质主要由其长度、强度、马克隆值和整齐度等因素共同决定, 这些属性决定了产品的耐用性、质地和商业价值。从结构特征来看, 棉纤维是胚珠表皮衍生的单细胞毛状体。这种极佳的模型系统已被广泛应用于研究植物细胞的伸长与分化过程。其发育过程可分为四个关键阶段: 起始阶段 (开花后0–3天, DPA)、伸长阶段 (2–20 DPA)、次生细胞壁合成阶段 (15–45 DPA) 和成熟阶段 (40–50 DPA)。其中, 伸长阶段尤为关键, 它不仅决定了纤维的伸长速率和持续时间, 更直接决定了纤维的最终长度。这一发育过程为深入探讨纤维伸长的遗传调控机制提供了重要的研究基础。

近日, JIPB在线发表了郑州大学农业与生物制造学院商海红/袁有禄团队的题为“Recent advances in genetic control of fiber length in upland cotton”的综述文章 (https://doi.org/10.1111/jipb.70213)。该文章系统总结影响棉花纤维长度的基因, 并根据基因功能将其分为六大门类: 植物激素相关基因; 转录因子相关基因; 纤维素、木质素和蔗糖相关基因; 脂质相关基因; 细胞骨架相关基因; 其他功能多样的基因。

植物激素通过调控转录因子的活性或表达水平, 进而影响下游基因的表达, 最终决定纤维的长度。例如, 赤霉素介导的GhSLR1降解会破坏其与转录因子GhBLH1的相互作用, 从而释放GhBLH1以激活下游基因。随后, GhBLH1直接激活GhFAD7A-1的表达, 促进亚麻酸积累, 最终促进棉花纤维细胞伸长。作者通过整合这些基因功能及其调控关系, 构建了影响棉花纤维长度的遗传调控网络, 以及不同激素之间通过相互作用进而影响棉花纤维长度的互作网络 (图1), 并对这些基因在育种当中的应用进行了展望。以及在育种应用可能遇到的问题进行了讨论。

近年来, 基因组学和分子生物学的快速发展促进了众多与棉花纤维长度相关基因的克隆和功能鉴定, 为棉花纤维品质改良提供了宝贵的遗传资源。然而, 将这些发现应用于育种计划仍面临诸多挑战。

1. 田间试验缺乏: 例如, 虽然GhROP6的过表达在受控环境中能促进纤维伸长, 但田间试验表明, 过表达GhROP6的转基因棉花植株的纤维长度显著短于预期。基础研究与实际应用之间的差距可能源于同一基因对纤维长度的影响在不同棉花遗传背景中存在差异。因此, 有必要在不同的种质资源中评估已克隆的纤维长度基因。

图1 生长素、赤霉素、独脚金内酯和乙烯在纤维伸长调控中的复杂相互作用