棉花基因功能研究與育種

郝苗苗，肖光輝

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棉花基因功能研究與育種

郝苗苗，肖光輝

陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安 710119

棉花（屬名）是世界上最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，也是紡織工業(yè)的重要原料。我國(guó)已成為世界上最大的棉花紡織品加工國(guó)、生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，棉花產(chǎn)業(yè)在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。在棉花生產(chǎn)中，纖維優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)、逆境中棉花營(yíng)養(yǎng)的吸收和利用、及黃萎病菌、枯萎病菌、灰霉病菌等植物病原菌引發(fā)的植物病害都嚴(yán)重影響棉花最終的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-4]。因此，對(duì)棉花中高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等功能基因的研究不僅具有重要理論價(jià)值，還可以指導(dǎo)棉花育種，對(duì)棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。目前，在棉纖維發(fā)育、棉花氮素吸收利用及棉花黃萎病抗病機(jī)制研究中已經(jīng)有一些基因被克隆，但是，對(duì)應(yīng)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)依然存在未知，有待于進(jìn)一步解析。本專(zhuān)題展示了部分棉花功能基因的研究進(jìn)展，以期為棉花高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆育種提供理論依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

在棉花品種的基因工程改良和棉花纖維發(fā)育的分子機(jī)制研究中，常常需要僅在纖維細(xì)胞中超量或抑制一些基因的表達(dá)來(lái)達(dá)到目的。因此，棉花纖維特異或優(yōu)勢(shì)表達(dá)啟動(dòng)子的克隆和功能分析，對(duì)棉花纖維發(fā)育相關(guān)基因的功能研究和棉花纖維改良的基因工程具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，已有一些棉花纖維特異表達(dá)基因的啟動(dòng)子被研究和報(bào)道，如、和等[5-6]，但由于棉花遺傳轉(zhuǎn)化比較困難，多數(shù)在纖維細(xì)胞中特異/優(yōu)勢(shì)表達(dá)基因的啟動(dòng)子還沒(méi)有通過(guò)轉(zhuǎn)基因棉花進(jìn)行功能鑒定。同時(shí)，由于纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育包含纖維細(xì)胞起始、伸長(zhǎng)和次生壁沉積等不同發(fā)育過(guò)程，不同時(shí)空和不同表達(dá)效率的啟動(dòng)子還十分缺乏。迄今為止，可選擇的纖維細(xì)胞特異或優(yōu)勢(shì)表達(dá)的啟動(dòng)子還十分有限。本專(zhuān)題論文《棉花纖維優(yōu)勢(shì)表達(dá)基因啟動(dòng)子的克隆和功能分析》[7]，以在棉纖維中優(yōu)勢(shì)表達(dá)的鞘脂delta8-去飽和酶基因（）的啟動(dòng)子為研究對(duì)象，通過(guò)克隆啟動(dòng)子序列和構(gòu)建不同長(zhǎng)度啟動(dòng)子（5′-刪除）植物表達(dá)載體，利用檢測(cè)轉(zhuǎn)基因煙草和棉花中GUS的活性分析啟動(dòng)子的功能。發(fā)現(xiàn)（1 232 bp）啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)基因煙草中是一個(gè)廣泛表達(dá)啟動(dòng)子，（2 900 bp）、（2 178 bp）和（1 657 bp）在轉(zhuǎn)基因煙草中不表達(dá)。是一個(gè)棉花纖維細(xì)胞優(yōu)勢(shì)表達(dá)啟動(dòng)子，在纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)期（10—15 DPA）表達(dá)水平相對(duì)較高，總體表達(dá)強(qiáng)度低于組成型強(qiáng)啟動(dòng)子CaMV35S。該啟動(dòng)子可應(yīng)用于棉花纖維發(fā)育相關(guān)基因的功能研究和改良纖維性狀的分子育種。

氮素在維持植物的發(fā)芽、生長(zhǎng)發(fā)育、開(kāi)花結(jié)果、抗逆性及產(chǎn)量等方面具有必不可少的作用，NLP（NIN-like protein）家族蛋白與控制根瘤起始和N2固定的調(diào)控因子NIN同源，在調(diào)控氮素信號(hào)中具有非常重要的作用[8-10]，而且對(duì)調(diào)節(jié)植物抗旱性有一定作用[11]。雖然在一些植物中對(duì)NLP轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)行了鑒定，但有關(guān)棉花NLP的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。此外，多個(gè)高質(zhì)量的棉花基因組數(shù)據(jù)庫(kù)為鑒定棉花NLP基因及其潛在功能提供了基礎(chǔ)。本專(zhuān)題論文《棉花NLP（Nin-like protein）基因家族的全基因組鑒定及表達(dá)分析》[12]，基于已發(fā)表的4種棉花基因組，采用生物信息學(xué)手段，對(duì)亞洲棉、陸地棉、海島棉和雷蒙德氏棉全基因組范圍內(nèi)NLP轉(zhuǎn)錄因子成員進(jìn)行鑒定，并從基因和蛋白水平對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)地分析，還分析了陸地棉NLP基因組織表達(dá)、纖維發(fā)育過(guò)程、非生物脅迫下表達(dá)變化情況，以及通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR對(duì)氮饑餓及復(fù)氮過(guò)程的表達(dá)情況進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，亞洲棉、陸地棉、海島棉和雷蒙德氏棉分別有11、11、21和22個(gè)NLP轉(zhuǎn)錄因子成員均包含RWP-RK和PB1保守結(jié)構(gòu)域，進(jìn)化分析可分為3組。啟動(dòng)子區(qū)識(shí)別到大量激素和脅迫響應(yīng)的順式作用元件，數(shù)量最多的為乙烯響應(yīng)元件ERE和MYB，與同源性較高的分支中，在根中及纖維起始表達(dá)量高，同時(shí)，和響應(yīng)鹽脅迫，響應(yīng)低溫脅迫。和響應(yīng)干旱脅迫，對(duì)缺氮和復(fù)氮過(guò)程有響應(yīng)。本研究結(jié)果為進(jìn)一步研究GHNLP基因家族在硝酸鹽吸收同化和抵御非生物脅迫方面提供了理論基礎(chǔ)。

棉花是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物和天然纖維作物，在種植過(guò)程中容易受黃萎病的危害，由大麗輪枝菌（）引起的黃萎病被認(rèn)為是棉花的“癌癥”，主要通過(guò)維管組織向植株各部位擴(kuò)散，該真菌病害嚴(yán)重影響棉花的生長(zhǎng)、品質(zhì)以及產(chǎn)量，是制約棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要病害[13-14]。研究棉花中響應(yīng)大麗輪枝菌的關(guān)鍵基因及其功能，對(duì)于抗病機(jī)制解析及抗病棉花材料培育具有重要意義。目前還沒(méi)有控制黃萎病菌的有效方法和策略。此外，由灰葡萄孢菌（）引起的棉鈴灰霉病分布廣泛，該病菌會(huì)造成棉花爛鈴或棉鈴干腐，嚴(yán)重影響了纖維品質(zhì)[15]。因此，發(fā)掘抗病功能基因、解析抗病機(jī)制、培育棉花抗病新品種對(duì)棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。大量研究表明，是一個(gè)多功能基因，廣泛參與植物抗病反應(yīng)、細(xì)胞增殖、細(xì)胞死亡、細(xì)胞衰老、細(xì)胞壁形成、茉莉酸信號(hào)途徑、水楊酸信號(hào)等過(guò)程[16]，本專(zhuān)題論文《陸地棉的克隆及其在抗病中的功能分析》[17]，通過(guò)分析陸地棉序列特征和黃萎病菌誘導(dǎo)表達(dá)模式，利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)（virus induced gene silencing，VIGS）下調(diào)棉花體內(nèi)的表達(dá)，明確其在棉花抵御黃萎病菌和灰霉病菌中的作用，為棉花抗病機(jī)制研究和分子育種提供理論依據(jù)和候選基因。作者從陸地棉TM-1中克隆到，其全長(zhǎng)1 683 bp，編碼560個(gè)氨基酸，且蛋白在結(jié)構(gòu)上較為保守，具有5個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域。在棉花幼苗真葉中表達(dá)量最高，莖中表達(dá)量最低，并受黃萎病菌誘導(dǎo)表達(dá)。在棉花中下調(diào)表達(dá)可降低棉花對(duì)黃萎病菌和灰霉病菌的抗性。

本專(zhuān)題另一篇論文《海島棉CAD和CAD-Like基因家族的鑒定、表達(dá)及其對(duì)大麗輪枝菌的響應(yīng)》[18]，基于海島棉全基因組信息，通過(guò)生物信息學(xué)方法對(duì)GbCAD基因和GbCADL基因進(jìn)行鑒定，分析GbCAD基因和GbCADL基因在海島棉不同組織和大麗輪枝菌侵染下的表達(dá)特征，利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默（VIGS）技術(shù)抑制GbCAD基因和GbCADL基因的表達(dá)，分析其在海島棉響應(yīng)大麗輪枝菌處理下的功能，為棉花抗病遺傳改良提供有效的候選基因，為棉花抗黃萎病機(jī)制解析及抗病育種提供參考。結(jié)果顯示，海島棉GbCAD基因和GbCADL基因具有不同的組織表達(dá)特征和受到大麗輪枝菌的誘導(dǎo)表達(dá)，抑制、、和的表達(dá)顯著降低海島棉對(duì)大麗輪枝菌的抗性。研究棉花中響應(yīng)大麗輪枝菌的關(guān)鍵基因及其功能，對(duì)于抗病機(jī)制解析及抗病棉花材料培育具有重要意義。因此，發(fā)掘抗病功能基因、解析抗病機(jī)制、培育棉花抗病新品種對(duì)棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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Gene Function and Breeding in Cotton

HAO MiaoMiao, XIAO GuangHui

College of Life Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.001

2023-07-27；

2023-08-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（32070549、32270578和32200444）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2022M712005）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2022JQ- 197）、安徽省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（208085QC85）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（GK202002005）和棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（CB2022A01、CB2021A05和CB2021A21）

郝苗苗，E-mail：mmhao@snnu.edu.cn。通信作者肖光輝，E-mail：guanghuix@snnu.edu.cn

（責(zé)任編輯 李莉）