郝苗苗，肖光辉

·导读·

棉花基因功能研究与育种

郝苗苗，肖光辉

陕西师范大学生命科学学院，西安 710119

棉花（属名）是世界上最主要的经济作物之一，也是纺织工业的重要原料。我国已成为世界上最大的棉花纺织品加工国、生产国和消费国，棉花产业在中国国民经济中占有重要地位。在棉花生产中，纤维优质与高产、逆境中棉花营养的吸收和利用、及黄萎病菌、枯萎病菌、灰霉病菌等植物病原菌引发的植物病害都严重影响棉花最终的产量和品质[1-4]。因此，对棉花中高产、优质、抗逆等功能基因的研究不仅具有重要理论价值，还可以指导棉花育种，对棉花产业发展具有重要意义。目前，在棉纤维发育、棉花氮素吸收利用及棉花黄萎病抗病机制研究中已经有一些基因被克隆，但是，对应的基因调控网络依然存在未知，有待于进一步解析。本专题展示了部分棉花功能基因的研究进展，以期为棉花高产、优质、抗逆育种提供理论依据和应用指导。

在棉花品种的基因工程改良和棉花纤维发育的分子机制研究中，常常需要仅在纤维细胞中超量或抑制一些基因的表达来达到目的。因此，棉花纤维特异或优势表达启动子的克隆和功能分析，对棉花纤维发育相关基因的功能研究和棉花纤维改良的基因工程具有重要的理论意义和应用价值。目前，已有一些棉花纤维特异表达基因的启动子被研究和报道，如、和等[5-6]，但由于棉花遗传转化比较困难，多数在纤维细胞中特异/优势表达基因的启动子还没有通过转基因棉花进行功能鉴定。同时，由于纤维细胞的生长发育包含纤维细胞起始、伸长和次生壁沉积等不同发育过程，不同时空和不同表达效率的启动子还十分缺乏。迄今为止，可选择的纤维细胞特异或优势表达的启动子还十分有限。本专题论文《棉花纤维优势表达基因启动子的克隆和功能分析》[7]，以在棉纤维中优势表达的鞘脂delta8-去饱和酶基因（）的启动子为研究对象，通过克隆启动子序列和构建不同长度启动子（5′-删除）植物表达载体，利用检测转基因烟草和棉花中GUS的活性分析启动子的功能。发现（1 232 bp）启动子在转基因烟草中是一个广泛表达启动子，（2 900 bp）、（2 178 bp）和（1 657 bp）在转基因烟草中不表达。是一个棉花纤维细胞优势表达启动子，在纤维细胞伸长期（10—15 DPA）表达水平相对较高，总体表达强度低于组成型强启动子CaMV35S。该启动子可应用于棉花纤维发育相关基因的功能研究和改良纤维性状的分子育种。

氮素在维持植物的发芽、生长发育、开花结果、抗逆性及产量等方面具有必不可少的作用，NLP（NIN-like protein）家族蛋白与控制根瘤起始和N2固定的调控因子NIN同源，在调控氮素信号中具有非常重要的作用[8-10]，而且对调节植物抗旱性有一定作用[11]。虽然在一些植物中对NLP转录因子家族进行了鉴定，但有关棉花NLP的相关研究尚未见报道。此外，多个高质量的棉花基因组数据库为鉴定棉花NLP基因及其潜在功能提供了基础。本专题论文《棉花NLP（Nin-like protein）基因家族的全基因组鉴定及表达分析》[12]，基于已发表的4种棉花基因组，采用生物信息学手段，对亚洲棉、陆地棉、海岛棉和雷蒙德氏棉全基因组范围内NLP转录因子成员进行鉴定，并从基因和蛋白水平对其进行系统地分析，还分析了陆地棉NLP基因组织表达、纤维发育过程、非生物胁迫下表达变化情况，以及通过实时荧光定量PCR对氮饥饿及复氮过程的表达情况进行分析。结果显示，亚洲棉、陆地棉、海岛棉和雷蒙德氏棉分别有11、11、21和22个NLP转录因子成员均包含RWP-RK和PB1保守结构域，进化分析可分为3组。启动子区识别到大量激素和胁迫响应的顺式作用元件，数量最多的为乙烯响应元件ERE和MYB，与同源性较高的分支中，在根中及纤维起始表达量高，同时，和响应盐胁迫，响应低温胁迫。和响应干旱胁迫，对缺氮和复氮过程有响应。本研究结果为进一步研究GHNLP基因家族在硝酸盐吸收同化和抵御非生物胁迫方面提供了理论基础。

棉花是中国重要的经济作物和天然纤维作物，在种植过程中容易受黄萎病的危害，由大丽轮枝菌（）引起的黄萎病被认为是棉花的“癌症”，主要通过维管组织向植株各部位扩散，该真菌病害严重影响棉花的生长、品质以及产量，是制约棉花产业发展的主要病害[13-14]。研究棉花中响应大丽轮枝菌的关键基因及其功能，对于抗病机制解析及抗病棉花材料培育具有重要意义。目前还没有控制黄萎病菌的有效方法和策略。此外，由灰葡萄孢菌（）引起的棉铃灰霉病分布广泛，该病菌会造成棉花烂铃或棉铃干腐，严重影响了纤维品质[15]。因此，发掘抗病功能基因、解析抗病机制、培育棉花抗病新品种对棉花产业发展具有重要意义。大量研究表明，是一个多功能基因，广泛参与植物抗病反应、细胞增殖、细胞死亡、细胞衰老、细胞壁形成、茉莉酸信号途径、水杨酸信号等过程[16]，本专题论文《陆地棉的克隆及其在抗病中的功能分析》[17]，通过分析陆地棉序列特征和黄萎病菌诱导表达模式，利用病毒诱导的基因沉默技术（virus induced gene silencing，VIGS）下调棉花体内的表达，明确其在棉花抵御黄萎病菌和灰霉病菌中的作用，为棉花抗病机制研究和分子育种提供理论依据和候选基因。作者从陆地棉TM-1中克隆到，其全长1 683 bp，编码560个氨基酸，且蛋白在结构上较为保守，具有5个跨膜结构域。在棉花幼苗真叶中表达量最高，茎中表达量最低，并受黄萎病菌诱导表达。在棉花中下调表达可降低棉花对黄萎病菌和灰霉病菌的抗性。

本专题另一篇论文《海岛棉CAD和CAD-Like基因家族的鉴定、表达及其对大丽轮枝菌的响应》[18]，基于海岛棉全基因组信息，通过生物信息学方法对GbCAD基因和GbCADL基因进行鉴定，分析GbCAD基因和GbCADL基因在海岛棉不同组织和大丽轮枝菌侵染下的表达特征，利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术抑制GbCAD基因和GbCADL基因的表达，分析其在海岛棉响应大丽轮枝菌处理下的功能，为棉花抗病遗传改良提供有效的候选基因，为棉花抗黄萎病机制解析及抗病育种提供参考。结果显示，海岛棉GbCAD基因和GbCADL基因具有不同的组织表达特征和受到大丽轮枝菌的诱导表达，抑制、、和的表达显著降低海岛棉对大丽轮枝菌的抗性。研究棉花中响应大丽轮枝菌的关键基因及其功能，对于抗病机制解析及抗病棉花材料培育具有重要意义。因此，发掘抗病功能基因、解析抗病机制、培育棉花抗病新品种对棉花产业发展具有重要意义。

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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

国家自然科学基金（32070549、32270578和32200444）、中国博士后科学基金（2022M712005）、陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ- 197）、安徽省自然科学基础研究计划（208085QC85）、中央高校基本科研业务费专项资金（GK202002005）和棉花生物学国家重点实验室开放课题（CB2022A01、CB2021A05和CB2021A21）

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

（责任编辑 李莉）