棉花纤维品质分子育种的现状及展望

高海强

（石河子农业科学研究院，新疆维吾尔自治区 石河子 832000）

棉纤维，俗称棉绒，是单细胞毛状体，来源于棉胚珠的表皮层。尽管棉纤维生产很重要，但人们对其分子机制仍然知之甚少。通过转录组分析、功能基因组学、蛋白质组学、代谢组学方法以及标记辅助分子育种，中国科学家在棉花研究方面作出了重大贡献。文章总结了中国实验室取得的重大进展，并讨论了与这种独特的作物植物发展相关的未来方向和前景。

棉花约占世界天然纤维的50%，是中国最重要的经济作物之一。中华人民共和国科技部（MOST）于1997年通过中国高新技术研究与发展（“863”）和1999年通过“转基因植物产业化”计划启动了棉花功能基因组学研究。最近，MOST在中国国家基础研究计划（973）中启动了一个项目，以支持旨在提高棉绒产量和纤维质量的研究。

中国科学院植物生理学与生态研究所（IPPE，CAS）的陈晓雅研究团队通过比较分析，鉴定了633 个在同一时期受到差异调控的基因。华中农业大学张贤龙实验室也报告了类似的工作。他们获得了455 个G.barbadense 基因，发现其中近50% 属于代谢功能类别，并建议其中许多基因与棉花体细胞胚胎发生有关。陈晓雅研究团队提供的棉花纤维细胞代谢物谱表明，纤维素生物合成、细胞壁松动和脂质生物合成在纤维伸长过程中具有高度活性，这与中国及周边地区其他实验室报道的转录组和蛋白质组数据一致。

1 基因克隆和功能分析

纤维发育可分为4 个发育阶段：①起始，②伸长率，③继发性细胞壁增厚，④脱水。棉绒的生产率和质量主要取决于纤维的萌发性和纤维伸长，因为大约只有30% 的卵表皮发育成纤维。发现纤维细胞的启动必须-斜视与拟南芥毛状体。

在发育棉花纤维细胞中特异性表达的基因编码了几种转录因子，与拟南芥毛状体的调节因子相似。例如，陈小雅的研究团队发现了来自MYB 基因（GaMYB2）。HIRSUTUM是AtGL1的同系物，编码拟南芥转录facrr R2R3 MYB，能够拯救拟南芥gl1 突变体，并且这种棉花基因的表达诱导拟南芥种子上的毛状体形成。中国科学院遗传与发育生物学研究所的薛永彪实验室也获得了类似的结果，该研究团队鉴定了GhMYB109。过早衰老可导致光合作用能力下降，产量降低和有害纤维特性。中国农业科学院棉花研究所（CRI）的余树新实验室分离出编码囊尾蛋白酶的Ghcysp基因，该基因在衰老棉叶中高度和特异性表达。刘静元组应用电泳迁移位移试验发现，棉花DREB1/CBF-样基因编码的转录因子与先前表征的DRE 元件和DRE 样序列在脱水反应迟胚胎发生丰富的基因LEA D113的启动子中具有特异性的IC结合活性。暗示在低温，干旱和高盐度抵抗中的作用。

李雪宝的实验室表征了一组在纤维伸长过程中优先表达的棉花肌动蛋白基因。他们描绘了GhACT1 启动子区域，并显示了其在转基因棉花中的纤维特异性。他们还使用RNA 干扰技术显著降低内源性GhACT1 mRNA level，以确认肌动蛋白细胞骨架网络在纤维发育中的重要性。夏桂贤在CAS 微生物研究所的实验室提供了棉花肌动蛋白和分析基因之间的功能联系。使用烟草悬浮细胞表征了棉花GhPFN1基因，并表明GhPFN1的表达与棉纤维的快速伸长密切相关，棉纤维的生长需要完整的肌动蛋白细胞骨架。发现GhPFN1的过表达导致profilin mRNA和F-肌动蛋白水平升高，这意味着GhPFN1可能通过促进肌动蛋白聚合在棉纤维的快速伸长中发挥作用。贾世荣在CAAS 生物技术研究所（BRI）的实验室发现，编码片碱样蛋白的GbKTN1 基因参与了微管分离功能。使用裂变酵母Schizosaccharomyces pombe，验证了棉花β微管蛋白样基因的功能，该基因能够诱导宿主细胞的显着纵向生长，表征了两个编码3-酮酰辅酶A还原酶和3-酮酰辅酶A 合酶的棉花基因，这表明细胞伸长需要膜脂质和蜡生物合成的前体供应。

活性氧在细胞信号传导和应激反应等多种生理过程中起着重要作用。GhAPX1基因编码细胞溶质抗坏血酸过氧化物酶，可能参与棉花纤维发育过程中的过氧化氢稳态，被发现响应于细胞H2O2的增加和乙烯施用后上调。李英章在中国农业大学的实验室，揭示了NO和H2O2是在棉花中产生的，以响应黄芩大丽毒素，并诱导编码谷胱甘肽S-转移酶的基因的表达，该基因已知参与棉花植物的再阻断机制。同样，Xia的研究团队报告说，棉花非共生血红蛋白基因GhHbad1触发了拟南芥的防御反应并增加了疾病耐受性，可能是通过调节H2O2/NO 的NO 水平和比率。上海交通大学的唐可璇研究团队描述了一个棉GbERF 基因，该基因属于转录因子ERF（乙烯反应因子）族。郭三堆研究团队从棉花ADP-核糖基化因子基因中分离出一种生殖器官特异性启动子，并提出该启动子可能取代无处不在表达的CaMV35S启动子，以缓解与转基因棉花生产相关的生物安全问题。

2 二次代谢与棉花育种

棉花植物通常产生许多抗菌次级代谢物，包括棉酚和相关的倍半萜醛。 陈晓雅的研究团队报道，tr 诱导因子GaWRKY1 调控CAD1-A 的表达，CAD1-A 是CAD1（+）-δ-卡迪-烯烯合酶的成员，催化了包括棉酚在内的倍半萜植物抗毒素生物合成的第一步。有学者发现CAD1-A 启动子区域的W-box 对于它在各种开发私奔阶段的表达很重要。有学者还鉴定出一种棉花细胞色素P450 单加氧酶CYP706B1，作为（+）-δ-卡地涅-8-氧基-genase。这是酶催化棉酚生物合成途径的第二步，来自分泌性漆酶cDNA（LAC1）。同一研究团队也以树木不育的根为特征，拟南芥植物中GhLAC1 的过表达导致对几种酚类等色物质的抗性增强，包括2，4，6-三氯苯酚。棉酚通常被认为是棉花种子加工业的麻烦，因为它们通常对非反刍动物有毒，并且它们能够与某些物质结合以使油品变色。已经尝试从棉花种子中去除棉酚。浙江大学朱水静的研究团队通过穿越G 的两倍体，开发了一种具有延迟色素愉度形态发生的杂交种。浙江大学的一个实验室报告了在固体底物发酵过程中，热带念珠菌ZD-3 处理优化工艺参数f或降低棉籽中棉酚水平的方法。

3 分子育种

虽然中国现在是世界第一大棉花生产和利用国，但中国生产的商业棉皮纤维质量范围很窄，因此中国消费的纤维中有30% 以上是再进口的，以适应纺织业。因此，提高纤维质量对中国研究人员来说是一个巨大的挑战。张天珍的研究团队是国内第一个筛选与重要农艺性状基因或QTL（Qu抗性状位点）相关的分子标记组，他们通过高纤维的偏析分析研究了高质量纤维特性的遗传。发现了稳定的皮棉百分比QTL qLP-A10-1，这可能对标记辅助选择具有特殊价值。他们还开发了G. raimondii EST-SR（表达序列标签—简单序列重复s 或微卫星DNA）标记，可用于棉花育种和基因组研究。张贤龙组还构建了基于序列相关扩增多态性（SRAP）的棉花育种遗传连锁图谱。王坤波在CRI 的group 在棉花中成功地进行了GISH-NOR（基因组原位杂交-核仁组织区）分析，为染色体工程奠定了基础，为育种提供了有价值的工具。杜雄明在CRI 和河北农业大学的马志义，采用SSR 分子标记技术筛选出精英种质，得到18 个优质纤维品系和4 个抗镰刀菌枯萎菌的品系。

4 结语

在过去的10年中，世界相关学者已经在棉花全棉基因组测序和育种中获得了巨大进展，包括二倍体棉花物种，四倍体棉花物种以及几种棉质cp 和mt 基因组。这些成果在几个重要领域取得了突破，包括几个重要基因或基因家族的鉴定和表征。这些成果包括纤维发育的调控和棉酚生物合成，解剖对黄萎病抗性和非生物胁迫的信号通路反应，以及阐明基因组进化，驯化和多倍化的调控机制。这些成就将成为比较基因组学、功能基因组学和现代棉花育种之间的桥梁。然而，与拟南芥和水稻相比，在与重要农艺性状相关的基本生物过程的分子调控方面仍存在较大的知识差距。之所以存在这些差距，是因为难以确定这些过程背后的关键监管机构的目标，也难以建立快速简单的遗传转化系统。显然，控制复杂生理和农艺性状的更关键基因和QTL 的克隆和功能表征将是未来研究的主要挑战。因此，随着棉花基因组测序和基因组编辑技术的不断发展，以及转基因技术的改进和标记辅助选择的使用，可以有效地创新种质和棉花育种。