肖水平　宋國(guó)立　余進(jìn)祥

摘要：棉纖維是天然的，使用最為廣泛的纖維材料。提高棉纖維品質(zhì)成為當(dāng)前棉花遺傳育種的重要目標(biāo)，對(duì)棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的挖掘、定位、克隆與功能研究是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。本文闡述了基于QTL定位的陸地棉和海島棉纖維優(yōu)質(zhì)基因挖掘、基于全基因組測(cè)序的棉纖維發(fā)育相關(guān)基因位點(diǎn)鑒定和分析、基于分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的棉纖維品質(zhì)改良以及棉花纖維發(fā)育相關(guān)功能基因驗(yàn)證等研究進(jìn)展，以期為棉花纖維發(fā)育及品質(zhì)改良研究提供有益借鑒和參考，并對(duì)今后棉花纖維相關(guān)研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：棉花;纖維品質(zhì);基因挖掘;功能基因;研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)： S562.035? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-3143（2020）02-0003-12

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2020.02.001

Abstract： Cotton fiber is natural and the most widely used fiber material. Improving the quality of cotton fiber has become an important goal of cotton genetics and breeding. In this paper， QTL-based gene mining of upland cotton and island cotton fiber was described. Identification and analysis of cotton fiber development related gene loci based on whole genome sequencing; And the improvement of cotton fiber quality based on molecular marker assisted breeding technology; In order to provide useful reference for the research on cotton fiber development and quality improvement， the research and development direction of cotton fiber are prospected.

Key words： Cotton; Fiber quality; Gene mining; Functional genes; Research progress

0? 引言

棉花是全球最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，約占世界5%的耕地（大約3300萬(wàn)公頃）用于棉花種植。棉花是世界最大的纖維作物和紡織工業(yè)原料。棉花除了它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值外，也被作為研究植物多倍體化、細(xì)胞伸長(zhǎng)和細(xì)胞壁生物合成的模式系統(tǒng)。目前廣泛栽培的陸地棉和海島棉為異源四倍體AD基因組，是由二倍體A基因組亞洲棉（G. arboreum）或草棉（G. herbaceum）和D基因組雷蒙德氏棉（G. raimondii）的相似種雜交，并經(jīng)過(guò)自然選擇和人工馴化而來(lái)的。

提升棉花纖維品質(zhì)是中國(guó)未來(lái)棉花供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的主攻方向。最早于1992年開(kāi)展棉纖維發(fā)育基因的研究[1]，隨著科技的快速發(fā)展和科研手段的不斷更新，關(guān)于棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的定位、克隆與功能研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，中國(guó)科研工作者在這方面的研究已走在世界領(lǐng)先行列[2]。

棉纖維是由胚珠外表皮單個(gè)細(xì)胞分化而成，棉纖維發(fā)育由4個(gè)明顯但又重疊的時(shí)期組成：包括起始分化階段（-3-3 days post anthesis，DPA）、細(xì)胞伸長(zhǎng)及初生壁合成階段（2-20 DPA）、次生壁合成加厚階段（15-45 DPA）以及脫水成熟階段（40-50 DPA）[3-5]。其中，起始分化至次生壁合成加厚3個(gè)發(fā)育階段決定了棉纖維的產(chǎn)量和質(zhì)量，起始分化階段決定了每個(gè)胚珠上纖維的數(shù)量，初生壁和次生壁形成期決定纖維長(zhǎng)度與強(qiáng)度[5-6]。目前關(guān)于棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的研究主要集中在纖維發(fā)育的前3個(gè)階段，棉花纖維發(fā)育由大量的基因參與調(diào)控，是一個(gè)復(fù)雜而有序的過(guò)程。

本文重點(diǎn)闡述了棉花纖維品質(zhì)改良相關(guān)基因挖掘、功能基因驗(yàn)證等研究進(jìn)展，系統(tǒng)梳理了相關(guān)研究?jī)?nèi)容，以期為棉花纖維發(fā)育及品質(zhì)改良研究提供借鑒和參考。

1? 棉花纖維品質(zhì)相關(guān)基因定位、挖掘與品質(zhì)改良研究進(jìn)展

1.1? 棉花纖維品質(zhì)相關(guān)基因定位與品質(zhì)改良

中國(guó)多家科研單位通過(guò)構(gòu)建陸陸種內(nèi)及陸海種間等分離群體，利用多種遺傳學(xué)手段，在陸地棉、海島棉優(yōu)質(zhì)品質(zhì)基因挖掘及利用MAS方法進(jìn)行優(yōu)質(zhì)棉新品種培育等方面取得了較多成果。

1.1.1? 陸地棉纖維優(yōu)質(zhì)基因挖掘

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中棉所”）科研團(tuán)隊(duì)利用優(yōu)質(zhì)的陸地棉材料和數(shù)個(gè)大面積推廣的陸地棉品種構(gòu)建了多個(gè)種內(nèi)分離群體，并進(jìn)一步對(duì)這些群體開(kāi)展了纖維品質(zhì)相關(guān)QTL和基因的挖掘工作，取得顯著成效[7-8]。通過(guò)以sGK9708（中棉所41選系）及高強(qiáng)纖維種質(zhì)系0-153為親本，構(gòu)建F2/F2：3以及重組自交系（Recombinant inbred lines， RILs）分離群體。以優(yōu)質(zhì)品種魯棉研28和新陸早24為親本，與優(yōu)質(zhì)親本sGK156和優(yōu)質(zhì)品系901-001構(gòu)建了分離及重組自交系群體[9-10]。Sun，等[7]以上述多個(gè)群體（F2、F2：3家系及RILs）分別用SSR標(biāo)記方法構(gòu)建了遺傳連鎖圖，在F2世代和RIL群體遺傳連鎖圖中，分別定位了20個(gè)和40個(gè)纖維品質(zhì)相關(guān)QTLs，可解釋的表型變異率分別為5.02%～30.67%和1.60%～27.86%。并綜合3個(gè)世代共檢測(cè)到 50個(gè)纖維品質(zhì)相關(guān)QTL，其中2個(gè) 纖 維 強(qiáng) 度 QTL（qFS- C7-1、qFS-C25-1）在不同世代、環(huán)境、群體中均穩(wěn)定表達(dá)，可用于可供MAS育種利用。接著，Jamshed，等[11]進(jìn)一步利用上述RIL群體，構(gòu)建了加密的遺傳連鎖圖譜，該圖譜包含793個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)，定位了31個(gè)纖維長(zhǎng)度相關(guān)的QTLs和35個(gè)纖維強(qiáng)度及馬克隆值相關(guān)的QTLs。Zhang，等[8]進(jìn)一步利用棉花63K芯片對(duì)該RIL群體進(jìn)行圖譜構(gòu)建與基因分型，定位出了16個(gè)穩(wěn)定的纖維強(qiáng)度QTLs（3個(gè)不同環(huán)境中均穩(wěn)定檢測(cè)到）。此后，Sun，等[7]和Shao，等[12]分別利用SSR標(biāo)記方法對(duì)陸地棉RIL群體構(gòu)建遺傳圖譜及定位纖維品質(zhì)QTLs，Sun和Shao分別在陸地棉25號(hào)染色體上定位到了各2個(gè)與纖維長(zhǎng)度、強(qiáng)度、馬克隆值相關(guān)的QTL，Shao且在該染色體上定位到了1個(gè)與纖維強(qiáng)度相關(guān)的QTL。Zhang，等[13]利用SSR和SNP標(biāo)記，同樣對(duì)構(gòu)建的陸地棉遺傳連鎖圖譜開(kāi)展纖維品質(zhì)指標(biāo)性狀的QTL定位，總共定位到17個(gè)在2個(gè)及2個(gè)以上環(huán)境中均穩(wěn)定出現(xiàn)的QTLs，其中5個(gè)與纖維長(zhǎng)度相關(guān)，7個(gè)與纖維強(qiáng)度相關(guān)，5個(gè)與馬克隆值相關(guān)。目前，正在對(duì)這些QTL進(jìn)行細(xì)定位及育種價(jià)值評(píng)價(jià)工作。

此外，Yuan，等[14]和石玉真，等[15]利用構(gòu)建的F2群體（7235 X TM-1雜交）進(jìn)行SSR分析檢測(cè)，找到與高強(qiáng)纖維連鎖的能夠穩(wěn)定遺傳且效應(yīng)穩(wěn)定的QTL，能夠解釋表型變異的53.8%。王娟，等[16]利用優(yōu)質(zhì)品種渝棉1號(hào)與TM-1雜交構(gòu)建陸地棉F2及F2B3分離群體，通過(guò)復(fù)合區(qū)間作圖法檢測(cè)到與纖維品質(zhì)連鎖的QTL 12個(gè)，并與前人結(jié)果綜合分析發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)質(zhì)纖維QTLs主要定位在第23號(hào)和24號(hào)染色體上。Zhang，等[17]和He，等[18]開(kāi)發(fā)了6種新的分子標(biāo)記（如SRAP、TRAP等），構(gòu)建了陸陸、陸海高密度連鎖圖譜。共檢測(cè)到112個(gè)纖維品質(zhì)性狀QTLs，其中發(fā)掘了14個(gè)控制品質(zhì)的主效 QTLs，其中6個(gè)在不同世代表現(xiàn)穩(wěn)定，并篩選出了與優(yōu)質(zhì)基因緊密連鎖的標(biāo)記8個(gè)。

1.1.2? 海島棉纖維優(yōu)質(zhì)基因挖掘

海島棉纖維品質(zhì)優(yōu)異，高抗黃萎病，但產(chǎn)量低，如何挖掘利用其品種優(yōu)勢(shì)一直是科研工作者研究的熱點(diǎn)?？蒲腥藛T提出了通過(guò)種間雜交并結(jié)合分子標(biāo)記輔助回交方法，構(gòu)建高代回交群體及染色體片段代換系群體，這些方法可將海島棉品質(zhì)優(yōu)異基因?qū)腙懙孛?，?duì)同步改良陸地棉纖維品質(zhì)和產(chǎn)量[19]。

石玉真，等[20]系統(tǒng)研究了陸海種間雜交纖維品質(zhì)和產(chǎn)量性狀的遺傳，其利用3個(gè)優(yōu)質(zhì)海島棉品系（海1、Giza75和7124）和4個(gè)陸地棉品種/系（中棉所36、中棉所37、中棉所45和中394）及其配制的12個(gè)F1雜交組合為研究對(duì)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陸海種間雜交纖維品質(zhì)的遺傳明顯不同于陸陸種內(nèi)雜交纖維品質(zhì)的遺傳。在雜種優(yōu)勢(shì)方面，前者表現(xiàn)出了纖維品質(zhì)性狀和產(chǎn)量指標(biāo)（鈴重和衣分）雙優(yōu)勢(shì)，部分纖維品質(zhì)指標(biāo)超親優(yōu)勢(shì)明顯。并對(duì)上述 4 套組合進(jìn)一步構(gòu)建了多個(gè)世代的回交群體和陸海染色體片段代換系（含不同遺傳背景）。進(jìn)一步利用構(gòu)建的海陸漸滲系與2個(gè)主栽品種進(jìn)行雙列雜交，不但使雜交種具有產(chǎn)量高優(yōu)勢(shì)，而且獲得的改良親本在產(chǎn)量和纖維品質(zhì)方面均具有很好的一般配合力[21]。

研究表明，通過(guò)分子標(biāo)記方法研究陸海種間群體較陸地棉群體更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍罢呔哂懈叩亩鄳B(tài)性，也因此更容易構(gòu)建出高密度的遺傳連鎖圖譜，更多的QTLs會(huì)被定位到，這一研究結(jié)果為利用海島棉優(yōu)質(zhì)纖維基因改良陸地棉纖維品質(zhì)奠定材料基礎(chǔ)。以優(yōu)質(zhì)海島棉品系海1為供體親本，陸地棉栽培品種中棉所36、中棉所45為輪回親本（中棉所36×海1、中棉所45×海1），采用家系回交法構(gòu)建了兩套不同世代回交的漸滲系群體[22-25]。Shi，等[26]以中棉所36×海1的BC1F1為作圖群體構(gòu)建了高密度遺傳圖譜。此后，蘭孟焦，等[25]、尹會(huì)會(huì)[27]及馬留軍，等[28]分別對(duì)中棉所45為背景的不同世代漸滲系（BC4F3、BC4F3：4、BC4F3：5）進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)多個(gè)試點(diǎn)的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)指標(biāo)，鑒定出一系列漸滲系材料，產(chǎn)量和纖維品質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于輪回親本。并在先前構(gòu)建的高密度分子遺傳圖譜上，進(jìn)一步按每5～10 cm距離累計(jì)挑選459個(gè)SSR標(biāo)記，對(duì)以中棉所45為背景的漸滲系群體進(jìn)行了基因型鑒定。對(duì)3個(gè)世代漸滲系群體進(jìn)行纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，篩選出在3個(gè)世代表現(xiàn)穩(wěn)定，且纖維長(zhǎng)度和比強(qiáng)度均在30 mm 和30 cN/tex 之上的優(yōu)良 BC4F3：5 株系9個(gè)。

中棉所袁有祿課題組進(jìn)一步利用海島棉Giza75和陸地棉SG747親本材料，通過(guò)雜交回交構(gòu)建了包含146個(gè)系的BC2F5群體，并構(gòu)建SSR遺傳圖譜。利用該圖譜并結(jié)合多點(diǎn)多區(qū)（5個(gè)環(huán)境、3個(gè)生態(tài)區(qū)）調(diào)查數(shù)據(jù)定位纖維品質(zhì) QTLs，研究結(jié)果共檢測(cè)到28個(gè)纖維品質(zhì)相關(guān) QTLs，每個(gè)QTL 能解釋6.65%～25.27%的表型貢獻(xiàn)率[29] 。

李龍?jiān)?，等[30]提取了17個(gè)已構(gòu)建的陸?；亟唤幌档?0DPA時(shí)期的纖維，并進(jìn)行差異基因表達(dá)分析，通過(guò)利用基因芯片技術(shù)，結(jié)果鑒定到1490個(gè)纖維長(zhǎng)度相關(guān)、1038個(gè)強(qiáng)度相關(guān)以及259個(gè)纖維細(xì)度相關(guān)差異表達(dá)基因。并進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，有5個(gè)基因在棉纖維發(fā)育10 DPA時(shí)高水平表達(dá)，包括GhMYB0、GhMKRP2、GhKIF11、Gh-POD和GhKINESIN-4a等，它們對(duì)纖維長(zhǎng)度、皮棉產(chǎn)量等表現(xiàn)出正調(diào)控或負(fù)調(diào)控的關(guān)系，研究結(jié)果認(rèn)為，它們可能是棉纖維發(fā)育的重要調(diào)控基因[31]。

1.1.3? 基于全基因組測(cè)序基礎(chǔ)上的棉纖維發(fā)育相關(guān)基因位點(diǎn)鑒定

隨著棉花全基因組測(cè)序的完成，由此在棉花全基因組測(cè)序基礎(chǔ)上開(kāi)展的棉花纖維發(fā)育與調(diào)控相關(guān)功能基因的關(guān)聯(lián)分析及定位、挖掘也取得顯著進(jìn)展。

Zhang，等[32]通過(guò)建立陸地棉重組自交系（RIL）群體，用3種標(biāo)記方法共8295個(gè)標(biāo)記，構(gòu)建了覆蓋全基因組的標(biāo)準(zhǔn)圖譜;并在全基因組范圍內(nèi)于17個(gè)環(huán)境中對(duì)6個(gè)纖維產(chǎn)量和品質(zhì)性狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，共鑒定出983個(gè)QTL，其中198個(gè)穩(wěn)定。共鑒定出37個(gè)QTL聚類(lèi)，在QTL聚類(lèi)中共發(fā)現(xiàn)1297個(gè)基因，其中414個(gè)在兩個(gè)轉(zhuǎn)錄組RNA-Seq數(shù)據(jù)集中表達(dá)，其中23個(gè)是有希望的候選基因。Wang，等[33]利用352份野生和馴化棉花種質(zhì)進(jìn)行了基因組重測(cè)序工作，通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，檢測(cè)到與纖維品質(zhì)性狀相關(guān)的候選基因位點(diǎn)19個(gè)，其中有16個(gè)是新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)。Fang，等[34-35]利用318份棉花地方品種和現(xiàn)代改良品種或品系材料，采用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法并結(jié)合基因組重測(cè)序技術(shù)，檢測(cè)到45個(gè)和纖維品質(zhì)相關(guān)的位點(diǎn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn) 2個(gè)乙烯途徑相關(guān)的基因位點(diǎn)與纖維產(chǎn)量相關(guān)。

此外，隨著棉花各基因組測(cè)序的完成，棉花高通量SNP分子標(biāo)記技術(shù)發(fā)展迅速，Sun，等[36]利用高質(zhì)量的SNP標(biāo)記構(gòu)建圖譜，可使其在棉花基因組的分布密度達(dá)到0.32 cM/SNP，使得利用芯片進(jìn)行棉花全基因組關(guān)聯(lián)分析變得更加精準(zhǔn);并且在8個(gè)不同環(huán)境中對(duì)719個(gè)棉花品種開(kāi)展表型鑒定后，利用高密度SNP芯片對(duì)棉花纖維品質(zhì)相關(guān)位點(diǎn)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有46個(gè)顯著相關(guān)的SNPs能夠在至少1個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，其中20個(gè)纖維長(zhǎng)度相關(guān)的 SNPs，18個(gè)纖維強(qiáng)度相關(guān)的SNPs。結(jié)合陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1的基因組序列信息，進(jìn)一步分析了上述46個(gè)SNP上下游各200 kb范圍內(nèi)的候選基因，共檢測(cè)到612個(gè)候選基因。作者進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)錄組表達(dá)方法分析了其中373個(gè)候選基因（212個(gè)纖維長(zhǎng)度相關(guān)、161個(gè)比強(qiáng)度相關(guān)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在纖維發(fā)育的4個(gè)時(shí)期中表達(dá)量均很高候選基因有283個(gè)，其中163個(gè)與纖維長(zhǎng)度相關(guān)、120個(gè)與比強(qiáng)度相關(guān)。

Salih，等[37]利用比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析了棉花Li-1突變體TUCP基因及其在棉纖維發(fā)育中的作用。研究表明在棉花中大量差異表達(dá)的TUCP轉(zhuǎn)錄本在開(kāi)花后第8天被鑒定，其次是在開(kāi)花當(dāng)天和莖稈中被大量鑒定。2018年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張獻(xiàn)龍團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)陸地棉和海島棉之間的遺傳導(dǎo)入系材料進(jìn)行基因組分析，鑒定了13個(gè)控制纖維品質(zhì)的遺傳位點(diǎn)[38]。

1.1.4? 基于分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的棉纖維品質(zhì)改良

所謂分子標(biāo)記輔助選擇（Marker-assisted slection， MAS）技術(shù)，是指利用與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記 （一段特異性的DNA），直接選擇目標(biāo)基因型材料，選擇結(jié)果不受環(huán)境條件影響，可靠性高。MAS選擇育種技術(shù)具有快速選擇難以測(cè)定的性狀表型、可同時(shí)選擇多個(gè)基因、提高目標(biāo)選擇速度和大大降低成本等優(yōu)點(diǎn)。目前已利用不同群體定位了多個(gè)與纖維品質(zhì)相關(guān)的QTLs，利用這些與QTLs連鎖緊密的分子標(biāo)記進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種，達(dá)到快速改良棉花纖維品質(zhì)的目的，是目前提高棉纖維品質(zhì)最直接有效的方法。

王天抗，等[39]利用與纖維強(qiáng)度相關(guān)的4個(gè)SSR標(biāo)記（3個(gè)主效QTL連鎖）對(duì)2個(gè)多交組合的雙交F1群體進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，發(fā)現(xiàn)棉花單株平均纖維強(qiáng)度隨著聚合QTL數(shù)量的增多選擇效果越明顯;并選出提高棉花纖維強(qiáng)度效率最高的屬聚合3個(gè)QTLs。董章輝，等[40]利用與3個(gè)纖維長(zhǎng)度QTLs位點(diǎn)關(guān)聯(lián)的SSR標(biāo)記，通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇法對(duì)多套組合的雙交F1群體進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)單株平均纖維長(zhǎng)度隨著聚合QTL數(shù)量的增多，目標(biāo)選擇效果越明顯。中棉所棉花分子設(shè)計(jì)育種團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用上述創(chuàng)制的材料，通過(guò)MAS技術(shù)選育了包括擁有高比強(qiáng)度的海島棉漸滲系901-001在內(nèi)的多個(gè)優(yōu)異纖維新品系，并培育了系列優(yōu)質(zhì)棉花新品種。并進(jìn)一步利用上述通過(guò)標(biāo)記輔助選擇得到的系列優(yōu)質(zhì)品系為父本，以產(chǎn)量、品質(zhì)及抗性綜合表現(xiàn)突出的sGK中156，通過(guò)配制雜交組合，選育出了系列優(yōu)質(zhì)抗蟲(chóng)雜交棉新品種（如中棉所70、中棉所78、中棉所96、中棉所101等）[19]。

2? 棉花纖維發(fā)育相關(guān)功能基因研究進(jìn)展

截止目前，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)報(bào)道了在棉纖維發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮作用的相關(guān)基因。有些基因只是在纖維起始和伸長(zhǎng)階段表達(dá)，有些基因只在次生壁增厚期表達(dá)，而另一些基因在纖維發(fā)育過(guò)程中組成型表達(dá)。

按照基因編碼蛋白的生物學(xué)功能對(duì)棉花纖維發(fā)育相關(guān)基因進(jìn)行分類(lèi)，主要分為9類(lèi)，包括轉(zhuǎn)錄因子類(lèi)（包括MYB、WD40、MADS、KNOX、bHLH、HD-ZIP、TCP等）、激素代謝類(lèi)（包括乙烯、油菜素內(nèi)酯、赤霉素、細(xì)胞分列素 、生長(zhǎng)素及脫落酸等）、細(xì)胞壁蛋白類(lèi)、細(xì)胞骨架蛋白及其結(jié)合蛋白類(lèi)、糖代謝類(lèi)、脂肪酸代謝類(lèi)、活性氧類(lèi)、滲透壓調(diào)節(jié)蛋白類(lèi)及其它功能蛋白[41]。其中最主要的同時(shí)也是研究最多的是轉(zhuǎn)錄因子類(lèi)[42]。這些轉(zhuǎn)錄因子、激素及結(jié)構(gòu)功能基因等在棉纖維細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中起著重要的調(diào)控作用。

2.1? 轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)基因在棉纖維發(fā)育中的研究

棉花纖維細(xì)胞的分化和發(fā)育過(guò)程復(fù)雜，各個(gè)時(shí)期均有大量基因參與調(diào)控，其中許多相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，例如MYB、MADS基因等。近年來(lái)，有524個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子在棉花中被發(fā)現(xiàn)，其中部分得到驗(yàn)證[43]。

研究發(fā)現(xiàn)，GhMYB25基因能調(diào)控棉花纖維等表皮細(xì)胞的分化，過(guò)量表達(dá)會(huì)導(dǎo)致纖維起始數(shù)目和葉片毛狀體數(shù)目增加，沉默后則會(huì)使纖維變短，也會(huì)減少植物其它部分的毛狀體數(shù)目[44]。Wang，等[42]研究證明MYB2轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)調(diào)控棉花纖維發(fā)育基因RDL1（RD22-like1）的轉(zhuǎn)錄起作用。海島棉中，GbMYB2基因主要是通過(guò)激活RDL1基因的表達(dá)，后者是毛狀體發(fā)育相關(guān)基因，可促進(jìn)纖維的發(fā)育，GbMYB2表達(dá)部位位于棉花胚珠的外表皮和延伸的纖維細(xì)胞中，在纖維發(fā)育起始和延伸階段表達(dá)量升高。研究表明在陸地棉棉花中含有GhMYB2A和GhMYB2D兩個(gè)同源基因[45]。此外，Wu，等[46]首次圖位克隆出控制長(zhǎng)絨纖維起始分化基因Li3，該基因編碼位于D12號(hào)染色體上的MYB-MIXTA-like transcription factor （MML） （GhMML4_D12）轉(zhuǎn)錄因子基因，Li3基因被視作調(diào)控棉纖維發(fā)育的起始“開(kāi)關(guān)”，這個(gè)“開(kāi)關(guān)”的發(fā)現(xiàn)對(duì)于進(jìn)一步揭示棉花纖維發(fā)育的分子機(jī)制、提高“衣分”，即棉纖維在籽棉中的比例極為關(guān)鍵。

另外，MYB家族中數(shù)量最多的一類(lèi)是R2R3類(lèi)型基因，在對(duì)棉纖維發(fā)育的研究中該類(lèi)型基因研究的也最為深入[41]。Loguerico，等[47]從陸地棉胚珠cDNA文庫(kù)中篩選到6個(gè)R2R3-MYB（GhMYB1-GhMYB6）類(lèi)型轉(zhuǎn)錄因子基因，研究發(fā)現(xiàn)它們?cè)诿蘩w維發(fā)育的不同時(shí)期表達(dá)水平發(fā)生變化，暗示參與棉纖維細(xì)胞發(fā)育的調(diào)控。Suo，等[48]從棉纖維起始早期胚珠克隆到一個(gè)R2R3-MYB類(lèi)型基因GhMYB109。Pu，等[49]進(jìn)一步通過(guò)RNAi干涉和掃描電鏡觀察等技術(shù)手段證明該基因在棉纖維細(xì)胞的起始與分化發(fā)育階段發(fā)揮功能，其可能對(duì)棉纖維發(fā)育一些相關(guān)基因（如GhACT1、GhTUB1、GhACO1、GhACO2等）有調(diào)控作用。此外，R2R3類(lèi)型MYB基因有GhMYB7和GhMYB9，以及GhMYB8和GhMYB10等也參與棉纖維發(fā)育調(diào)控[50-51]。

除了MYB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子外，還有其它一些轉(zhuǎn)錄因子也密切參與棉花纖維的發(fā)育。Liu，等[52]從陸地棉中克隆到1個(gè)GhCPC基因，將該基因在棉花中過(guò)表達(dá)可延遲棉纖維的起始分化，且使纖維長(zhǎng)度顯著降低。GbML1、GhHD1及HOX等GL2同源性基因也參與棉纖維發(fā)育，GbML1基因能夠結(jié)合L-box順式元件，可能參與調(diào)控其它棉纖維發(fā)育基因（如RDL1等）[53-54]。Shan，等[55]和Guan，等[56]先后在棉花中克隆了3個(gè)GL2同源基因（HOX1、HOX2、HOX3），GhHOX3屬HD-ZIP轉(zhuǎn)錄因子家族，能夠控制棉花纖維的伸長(zhǎng);并研究發(fā)現(xiàn)HOX1和HOX3與棉花纖維發(fā)育有關(guān)，GhHOX3的靶標(biāo)含有L1-box，該基因與GhHD1相互作用增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，與激素GA的生長(zhǎng)抑制子DELLA（GhSLR1）相互作用，使靶基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制，進(jìn)而調(diào)控棉花纖維發(fā)育。

MADS蛋白家族都含有一個(gè)由56～58個(gè)氨基酸組成的高度保守的MADS-box結(jié)構(gòu)域，是植物內(nèi)另外一個(gè)大的轉(zhuǎn)錄因子家族[57]。MADS家族對(duì)整個(gè)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的調(diào)控起著重要作用[58]。吳東，等[59]研究表明，棉花MADS-box蛋白基因（GhMAD-13）在控制棉花花器官的誘導(dǎo)與發(fā)育中起重要作用。在棉花中發(fā)現(xiàn)多個(gè)與棉纖維發(fā)育相關(guān)的基因，如GhMADS4-7、GhMADS1、GhMADS9、GhMADS11、GhMADS14等。

另外，Gong，等[60]在棉花中克隆了一個(gè)KNOXⅡ型轉(zhuǎn)錄因子KNL1基因（KNOTTED1-LIKE），GhKNL1基因能顯著抑制棉株的纖維長(zhǎng)度和細(xì)胞壁厚度，該轉(zhuǎn)錄因子在纖維次生壁加厚期高表達(dá)。此外，Hao，等[61]在海島棉中克隆了一個(gè)Ⅰ型TCP基因GbTCP，該基因在5～15DPA時(shí)期的棉纖維伸長(zhǎng)階段表達(dá)。研究表明，GbTCP具有對(duì)茉莉酸（jasmonicacid，JA）激素水平的正向調(diào)控功能，通過(guò)激活下游（如與乙烯生物合成、Ca2+信號(hào)通路相關(guān)等）基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)根毛和纖維細(xì)胞的延伸，而GbTCP基因的沉默則導(dǎo)致棉纖維長(zhǎng)度等品質(zhì)顯著降低。另外，王怡，等[62]通過(guò)克隆獲得海島棉新海21號(hào)材料中的GbTCP10基因，進(jìn)一步分析表明，GbTCP10基因在纖維中表達(dá)量最高時(shí)期在開(kāi)花后5DPA階段，它是1個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制子，不具有轉(zhuǎn)錄激活活性，分析結(jié)果認(rèn)為該基因可能參與棉花纖維的發(fā)育。

2.2? 其它類(lèi)型功能基因在棉纖維發(fā)育中的研究

除了上述轉(zhuǎn)錄因子外，其他類(lèi)型的棉纖維發(fā)育相關(guān)功能基因?qū)γ藁ɡw維發(fā)育也起著重要的作用。Qu，等[63]通過(guò)病毒誘導(dǎo)基因沉默方法解析KATANIN和WRINKLED1基因在棉花纖維發(fā)育中的功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)抑制KATAN基因的表達(dá)，導(dǎo)致棉花植株產(chǎn)生了較短的纖維和并提高了種子油在胚乳中的重量比，相反，當(dāng)使WRINKLED1基因沉默表達(dá)時(shí)，結(jié)果卻增加棉花纖維長(zhǎng)度但減少油籽含量，這表明通過(guò)重新分配碳流動(dòng)增加了棉花纖維長(zhǎng)度的可能性。Zou，等[64]利用棉花纖維和葉子樣品中對(duì)ssRNA-seq序列進(jìn)行分析，鑒定出5996條長(zhǎng)鏈非編碼（long noncoding RNAs）lncRNAs序列，其中3510條為長(zhǎng)基因間區(qū)的非編碼（long intergenic noncoding RNAs）lincRNAs，2486條為天然反義轉(zhuǎn)錄子（natural antisense transcripts）lncNAT， 通過(guò)轉(zhuǎn)錄組表達(dá)分析，顯示51.9%的lincRNAs和54.5% 的lncNATs在纖維發(fā)育的一個(gè)階段優(yōu)先表達(dá)，顯著高于蛋白編碼轉(zhuǎn)錄物（21.7%）;在纖維快速伸長(zhǎng)階段，lncRNAs的快速動(dòng)態(tài)變化可能有助于棉花纖維的發(fā)育，結(jié)果揭示了長(zhǎng)鏈非編碼RNA在棉花纖維發(fā)育中的作用。Feng，等[65]研究揭示了陸地棉組蛋白H2B單泛素化酶GhHUB2通過(guò)泛素-26S蛋白酶體途徑調(diào)控棉花纖維發(fā)育的分子機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)GhHUB2能夠與纖維發(fā)育負(fù)調(diào)控因子GhKNL1在細(xì)胞核相互作用。GhHUB2可以多聚泛素化修飾GhKNL1蛋白，并促進(jìn)GhKNL1通過(guò)泛素-26S蛋白酶體途徑降解。與此對(duì)應(yīng)，GhHUB2超表達(dá)棉花纖維中，GhKNL1蛋白積累減少，而干擾株系中GhKNL1蛋白積累增加。纖維中GhHUB2對(duì)GhKNL1降解的促進(jìn)，解除了GhKNL1對(duì)下游參與纖維伸長(zhǎng)和次生壁合成基因的轉(zhuǎn)錄抑制，提高了相關(guān)基因的表達(dá)，從而調(diào)控纖維的發(fā)育。

Xiao，等[66]對(duì)克隆到的3個(gè)在陸地棉中與赤霉素相關(guān)的GA-20氧化酶同源基因（GhGA20oxl、GhGA20ox2、GhGA20ox3）進(jìn)行研究，通過(guò)在棉花中過(guò)量表達(dá)GhGA20oxl基因發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因的棉纖維和胚珠中GA含量均有增加，其棉纖維的初始數(shù)量、長(zhǎng)度在被檢測(cè)的每個(gè)胚珠上均有顯著增加。此外，PAG1基因編碼的蛋白能夠?qū)⒂筒怂貎?nèi)酯（BR）上的 C-26 羥基化而使BR失活。PAG1蛋白主要通過(guò)控制有生物活性的內(nèi)源 BR 的含量，進(jìn)而影響乙烯介導(dǎo)的 VLCFA途徑，已達(dá)到調(diào)控纖維發(fā)育的目的[67]。

Zhang，等[68]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)棉纖維中肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白GhFIM2基因增加了肌動(dòng)蛋白束的豐度，在纖維細(xì)胞快速伸長(zhǎng)階段加速了纖維的生長(zhǎng)，同時(shí)也促進(jìn)了纖維次級(jí)細(xì)胞壁生物合成。結(jié)果表明，涉及GhFIM2的肌動(dòng)蛋白高級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)重排在棉纖維細(xì)胞的發(fā)育中起重要作用。

Tang，等[69]研究發(fā)現(xiàn)膜聯(lián)蛋白Ghann2通過(guò)調(diào)節(jié)棉花中Ca2+的動(dòng)態(tài)和信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)纖維伸長(zhǎng)和纖維次生壁合成。且發(fā)現(xiàn)鈣傳感器蛋白GhCam7可能調(diào)節(jié)活性氧ROS的積累，并在早期纖維發(fā)育過(guò)程中作為Ca2+和ROS信號(hào)通路之間的分子連接物起作用[70]。

Deng，等[71]報(bào)道了一種棉花GPI錨定的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，GhLTPG1通過(guò)結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)磷脂酰肌醇單磷酸鹽，以促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)。此外，Li，等[72]研究表明海島棉中GbEXPATR是一種特異性的α-擴(kuò)張蛋白，通過(guò)調(diào)控細(xì)胞壁組成和物理性質(zhì)來(lái)增強(qiáng)棉纖維的伸長(zhǎng)，可能是纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)的重要和基礎(chǔ)調(diào)節(jié)因子。上述研究結(jié)果為棉纖維基因功能研究提供了更多的基因資源，也為棉纖維品質(zhì)遺傳改良提供了堅(jiān)實(shí)的研究和理論基礎(chǔ)。

3? 總結(jié)與展望

隨著棉花二倍體A基因組（非洲棉A1、亞洲棉A2）、D基因組（雷蒙德氏棉D(zhuǎn)5）[73-76]以及四倍體陸地棉AD1（測(cè)序品種TM-1）、海島棉AD2（測(cè)序品種Hai7124、3-79、新海21號(hào)）基因組[77-81]序列圖譜的測(cè)序完成和基因組序列質(zhì)量的不斷完善升級(jí)，對(duì)棉花纖維品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀分子機(jī)制的解析、重要性狀功能基因的挖掘與利用等多個(gè)研究領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于棉纖維發(fā)育、品質(zhì)相關(guān)基因?qū)儆跀?shù)量性狀遺傳，盡管在棉花纖維發(fā)育與品質(zhì)改良相關(guān)研究取得一系列重要進(jìn)展，一些與棉纖維發(fā)育相關(guān)的重要基因被挖掘、克隆和鑒定，但大多數(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，與廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)Bt 基因抗蟲(chóng)棉相比，棉纖維品質(zhì)遺傳改良和調(diào)控機(jī)理等研究還需要更扎實(shí)的理論積累和技術(shù)開(kāi)發(fā)支撐。

隨著全基因組測(cè)序的完成和科研技術(shù)的不斷發(fā)展，今后將包括棉纖維發(fā)育與調(diào)控在內(nèi)的棉花功能基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等研究將不斷推向深入。通過(guò)棉花功能基因組等多組學(xué)研究，可克隆、鑒定出大量控制棉花品質(zhì)等各種性狀關(guān)鍵基因，深入解析其轉(zhuǎn)錄、翻譯、代謝等生物途徑的分子機(jī)制，不僅為棉花各性狀改良提供基因資源，還將促進(jìn)棉花生物學(xué)理論的進(jìn)一步豐富和發(fā)展。而且功能基因組學(xué)等多組學(xué)研究成果還將使得傳統(tǒng)的作物育種改良上升到定向基因編輯（Genome Editing）乃至分子設(shè)計(jì)育種的新階段（也稱(chēng)合成生物學(xué)）[82]。

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