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

陜西師范大學生命科學學院，西安 710119

棉花（屬名）是世界上最主要的經濟作物之一，也是紡織工業的重要原料。我國已成為世界上最大的棉花紡織品加工國、生產國和消費國，棉花產業在中國國民經濟中占有重要地位。在棉花生產中，纖維優質與高產、逆境中棉花營養的吸收和利用、及黃萎病菌、枯萎病菌、灰霉病菌等植物病原菌引發的植物病害都嚴重影響棉花最終的產量和品質[1-4]。因此，對棉花中高產、優質、抗逆等功能基因的研究不僅具有重要理論價值，還可以指導棉花育種，對棉花產業發展具有重要意義。目前，在棉纖維發育、棉花氮素吸收利用及棉花黃萎病抗病機制研究中已經有一些基因被克隆，但是，對應的基因調控網絡依然存在未知，有待于進一步解析。本專題展示了部分棉花功能基因的研究進展，以期為棉花高產、優質、抗逆育種提供理論依據和應用指導。

在棉花品種的基因工程改良和棉花纖維發育的分子機制研究中，常常需要僅在纖維細胞中超量或抑制一些基因的表達來達到目的。因此，棉花纖維特異或優勢表達啟動子的克隆和功能分析，對棉花纖維發育相關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用價值。目前，已有一些棉花纖維特異表達基因的啟動子被研究和報道，如、和等[5-6]，但由于棉花遺傳轉化比較困難，多數在纖維細胞中特異/優勢表達基因的啟動子還沒有通過轉基因棉花進行功能鑒定。同時，由于纖維細胞的生長發育包含纖維細胞起始、伸長和次生壁沉積等不同發育過程，不同時空和不同表達效率的啟動子還十分缺乏。迄今為止，可選擇的纖維細胞特異或優勢表達的啟動子還十分有限。本專題論文《棉花纖維優勢表達基因啟動子的克隆和功能分析》[7]，以在棉纖維中優勢表達的鞘脂delta8-去飽和酶基因（）的啟動子為研究對象，通過克隆啟動子序列和構建不同長度啟動子（5′-刪除）植物表達載體，利用檢測轉基因煙草和棉花中GUS的活性分析啟動子的功能。發現（1 232 bp）啟動子在轉基因煙草中是一個廣泛表達啟動子，（2 900 bp）、（2 178 bp）和（1 657 bp）在轉基因煙草中不表達。是一個棉花纖維細胞優勢表達啟動子，在纖維細胞伸長期（10—15 DPA）表達水平相對較高，總體表達強度低于組成型強啟動子CaMV35S。該啟動子可應用于棉花纖維發育相關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芽、生長發育、開花結果、抗逆性及產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固定的調控因子NIN同源，在調控氮素信號中具有非常重要的作用[8-10]，而且對調節植物抗旱性有一定作用[11]。雖然在一些植物中對NLP轉錄因子家族進行了鑒定，但有關棉花NLP的相關研究尚未見報道。此外，多個高質量的棉花基因組數據庫為鑒定棉花NLP基因及其潛在功能提供了基礎。本專題論文《棉花NLP（Nin-like protein）基因家族的全基因組鑒定及表達分析》[12]，基于已發表的4種棉花基因組，采用生物信息學手段，對亞洲棉、陸地棉、海島棉和雷蒙德氏棉全基因組范圍內NLP轉錄因子成員進行鑒定，并從基因和蛋白水平對其進行系統地分析，還分析了陸地棉NLP基因組織表達、纖維發育過程、非生物脅迫下表達變化情況，以及通過實時熒光定量PCR對氮饑餓及復氮過程的表達情況進行分析。結果顯示，亞洲棉、陸地棉、海島棉和雷蒙德氏棉分別有11、11、21和22個NLP轉錄因子成員均包含RWP-RK和PB1保守結構域，進化分析可分為3組。啟動子區識別到大量激素和脅迫響應的順式作用元件，數量最多的為乙烯響應元件ERE和MYB，與同源性較高的分支中，在根中及纖維起始表達量高，同時，和響應鹽脅迫，響應低溫脅迫。和響應干旱脅迫，對缺氮和復氮過程有響應。本研究結果為進一步研究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。

棉花是中國重要的經濟作物和天然纖維作物，在種植過程中容易受黃萎病的危害，由大麗輪枝菌（）引起的黃萎病被認為是棉花的“癌癥”，主要通過維管組織向植株各部位擴散，該真菌病害嚴重影響棉花的生長、品質以及產量，是制約棉花產業發展的主要病害[13-14]。研究棉花中響應大麗輪枝菌的關鍵基因及其功能，對于抗病機制解析及抗病棉花材料培育具有重要意義。目前還沒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，該病菌會造成棉花爛鈴或棉鈴干腐，嚴重影響了纖維品質[15]。因此，發掘抗病功能基因、解析抗病機制、培育棉花抗病新品種對棉花產業發展具有重要意義。大量研究表明，是一個多功能基因，廣泛參與植物抗病反應、細胞增殖、細胞死亡、細胞衰老、細胞壁形成、茉莉酸信號途徑、水楊酸信號等過程[16]，本專題論文《陸地棉的克隆及其在抗病中的功能分析》[17]，通過分析陸地棉序列特征和黃萎病菌誘導表達模式，利用病毒誘導的基因沉默技術（virus induced gene silencing，VIGS）下調棉花體內的表達，明確其在棉花抵御黃萎病菌和灰霉病菌中的作用，為棉花抗病機制研究和分子育種提供理論依據和候選基因。作者從陸地棉TM-1中克隆到，其全長1 683 bp，編碼560個氨基酸，且蛋白在結構上較為保守，具有5個跨膜結構域。在棉花幼苗真葉中表達量最高，莖中表達量最低，并受黃萎病菌誘導表達。在棉花中下調表達可降低棉花對黃萎病菌和灰霉病菌的抗性。

本專題另一篇論文《海島棉CAD和CAD-Like基因家族的鑒定、表達及其對大麗輪枝菌的響應》[18]，基于海島棉全基因組信息，通過生物信息學方法對GbCAD基因和GbCADL基因進行鑒定，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特征，利用病毒誘導的基因沉默（VIGS）技術抑制GbCAD基因和GbCADL基因的表達，分析其在海島棉響應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，為棉花抗黃萎病機制解析及抗病育種提供參考。結果顯示，海島棉GbCAD基因和GbCADL基因具有不同的組織表達特征和受到大麗輪枝菌的誘導表達，抑制、、和的表達顯著降低海島棉對大麗輪枝菌的抗性。研究棉花中響應大麗輪枝菌的關鍵基因及其功能，對于抗病機制解析及抗病棉花材料培育具有重要意義。因此，發掘抗病功能基因、解析抗病機制、培育棉花抗病新品種對棉花產業發展具有重要意義。

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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

國家自然科學基金（32070549、32270578和32200444）、中國博士后科學基金（2022M712005）、陜西省自然科學基礎研究計劃（2022JQ- 197）、安徽省自然科學基礎研究計劃（208085QC85）、中央高校基本科研業務費專項資金（GK202002005）和棉花生物學國家重點實驗室開放課題（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

（責任編輯 李莉）