高海強(qiáng)

（石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832000）

棉纖維，俗稱棉絨，是單細(xì)胞毛狀體，來源于棉胚珠的表皮層。盡管棉纖維生產(chǎn)很重要，但人們對其分子機(jī)制仍然知之甚少。通過轉(zhuǎn)錄組分析、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)方法以及標(biāo)記輔助分子育種，中國科學(xué)家在棉花研究方面作出了重大貢獻(xiàn)。文章總結(jié)了中國實(shí)驗(yàn)室取得的重大進(jìn)展，并討論了與這種獨(dú)特的作物植物發(fā)展相關(guān)的未來方向和前景。

棉花約占世界天然纖維的50%，是中國最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。中華人民共和國科技部（MOST）于1997年通過中國高新技術(shù)研究與發(fā)展（“863”）和1999年通過“轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)業(yè)化”計(jì)劃啟動了棉花功能基因組學(xué)研究。最近，MOST在中國國家基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973）中啟動了一個(gè)項(xiàng)目，以支持旨在提高棉絨產(chǎn)量和纖維質(zhì)量的研究。

中國科學(xué)院植物生理學(xué)與生態(tài)研究所（IPPE，CAS）的陳曉雅研究團(tuán)隊(duì)通過比較分析，鑒定了633 個(gè)在同一時(shí)期受到差異調(diào)控的基因。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張賢龍實(shí)驗(yàn)室也報(bào)告了類似的工作。他們獲得了455 個(gè)G.barbadense 基因，發(fā)現(xiàn)其中近50% 屬于代謝功能類別，并建議其中許多基因與棉花體細(xì)胞胚胎發(fā)生有關(guān)。陳曉雅研究團(tuán)隊(duì)提供的棉花纖維細(xì)胞代謝物譜表明，纖維素生物合成、細(xì)胞壁松動和脂質(zhì)生物合成在纖維伸長過程中具有高度活性，這與中國及周邊地區(qū)其他實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)一致。

1 基因克隆和功能分析

纖維發(fā)育可分為4 個(gè)發(fā)育階段：①起始，②伸長率，③繼發(fā)性細(xì)胞壁增厚，④脫水。棉絨的生產(chǎn)率和質(zhì)量主要取決于纖維的萌發(fā)性和纖維伸長，因?yàn)榇蠹s只有30% 的卵表皮發(fā)育成纖維。發(fā)現(xiàn)纖維細(xì)胞的啟動必須-斜視與擬南芥毛狀體。

在發(fā)育棉花纖維細(xì)胞中特異性表達(dá)的基因編碼了幾種轉(zhuǎn)錄因子，與擬南芥毛狀體的調(diào)節(jié)因子相似。例如，陳小雅的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了來自MYB 基因（GaMYB2）。HIRSUTUM是AtGL1的同系物，編碼擬南芥轉(zhuǎn)錄facrr R2R3 MYB，能夠拯救擬南芥gl1 突變體，并且這種棉花基因的表達(dá)誘導(dǎo)擬南芥種子上的毛狀體形成。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的薛永彪實(shí)驗(yàn)室也獲得了類似的結(jié)果，該研究團(tuán)隊(duì)鑒定了GhMYB109。過早衰老可導(dǎo)致光合作用能力下降，產(chǎn)量降低和有害纖維特性。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所（CRI）的余樹新實(shí)驗(yàn)室分離出編碼囊尾蛋白酶的Ghcysp基因，該基因在衰老棉葉中高度和特異性表達(dá)。劉靜元組應(yīng)用電泳遷移位移試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，棉花DREB1/CBF-樣基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子與先前表征的DRE 元件和DRE 樣序列在脫水反應(yīng)遲胚胎發(fā)生豐富的基因LEA D113的啟動子中具有特異性的IC結(jié)合活性。暗示在低溫，干旱和高鹽度抵抗中的作用。

李雪寶的實(shí)驗(yàn)室表征了一組在纖維伸長過程中優(yōu)先表達(dá)的棉花肌動蛋白基因。他們描繪了GhACT1 啟動子區(qū)域，并顯示了其在轉(zhuǎn)基因棉花中的纖維特異性。他們還使用RNA 干擾技術(shù)顯著降低內(nèi)源性GhACT1 mRNA level，以確認(rèn)肌動蛋白細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)在纖維發(fā)育中的重要性。夏桂賢在CAS 微生物研究所的實(shí)驗(yàn)室提供了棉花肌動蛋白和分析基因之間的功能聯(lián)系。使用煙草懸浮細(xì)胞表征了棉花GhPFN1基因，并表明GhPFN1的表達(dá)與棉纖維的快速伸長密切相關(guān)，棉纖維的生長需要完整的肌動蛋白細(xì)胞骨架。發(fā)現(xiàn)GhPFN1的過表達(dá)導(dǎo)致profilin mRNA和F-肌動蛋白水平升高，這意味著GhPFN1可能通過促進(jìn)肌動蛋白聚合在棉纖維的快速伸長中發(fā)揮作用。賈世榮在CAAS 生物技術(shù)研究所（BRI）的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，編碼片堿樣蛋白的GbKTN1 基因參與了微管分離功能。使用裂變酵母Schizosaccharomyces pombe，驗(yàn)證了棉花β微管蛋白樣基因的功能，該基因能夠誘導(dǎo)宿主細(xì)胞的顯著縱向生長，表征了兩個(gè)編碼3-酮酰輔酶A還原酶和3-酮酰輔酶A 合酶的棉花基因，這表明細(xì)胞伸長需要膜脂質(zhì)和蠟生物合成的前體供應(yīng)。

活性氧在細(xì)胞信號傳導(dǎo)和應(yīng)激反應(yīng)等多種生理過程中起著重要作用。GhAPX1基因編碼細(xì)胞溶質(zhì)抗壞血酸過氧化物酶，可能參與棉花纖維發(fā)育過程中的過氧化氫穩(wěn)態(tài)，被發(fā)現(xiàn)響應(yīng)于細(xì)胞H2O2的增加和乙烯施用后上調(diào)。李英章在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，揭示了NO和H2O2是在棉花中產(chǎn)生的，以響應(yīng)黃芩大麗毒素，并誘導(dǎo)編碼谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶的基因的表達(dá)，該基因已知參與棉花植物的再阻斷機(jī)制。同樣，Xia的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，棉花非共生血紅蛋白基因GhHbad1觸發(fā)了擬南芥的防御反應(yīng)并增加了疾病耐受性，可能是通過調(diào)節(jié)H2O2/NO 的NO 水平和比率。上海交通大學(xué)的唐可璇研究團(tuán)隊(duì)描述了一個(gè)棉GbERF 基因，該基因?qū)儆谵D(zhuǎn)錄因子ERF（乙烯反應(yīng)因子）族。郭三堆研究團(tuán)隊(duì)從棉花ADP-核糖基化因子基因中分離出一種生殖器官特異性啟動子，并提出該啟動子可能取代無處不在表達(dá)的CaMV35S啟動子，以緩解與轉(zhuǎn)基因棉花生產(chǎn)相關(guān)的生物安全問題。

2 二次代謝與棉花育種

棉花植物通常產(chǎn)生許多抗菌次級代謝物，包括棉酚和相關(guān)的倍半萜醛。 陳曉雅的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道，tr 誘導(dǎo)因子GaWRKY1 調(diào)控CAD1-A 的表達(dá)，CAD1-A 是CAD1（+）-δ-卡迪-烯烯合酶的成員，催化了包括棉酚在內(nèi)的倍半萜植物抗毒素生物合成的第一步。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)CAD1-A 啟動子區(qū)域的W-box 對于它在各種開發(fā)私奔階段的表達(dá)很重要。有學(xué)者還鑒定出一種棉花細(xì)胞色素P450 單加氧酶CYP706B1，作為（+）-δ-卡地涅-8-氧基-genase。這是酶催化棉酚生物合成途徑的第二步，來自分泌性漆酶cDNA（LAC1）。同一研究團(tuán)隊(duì)也以樹木不育的根為特征，擬南芥植物中GhLAC1 的過表達(dá)導(dǎo)致對幾種酚類等色物質(zhì)的抗性增強(qiáng)，包括2，4，6-三氯苯酚。棉酚通常被認(rèn)為是棉花種子加工業(yè)的麻煩，因?yàn)樗鼈兺ǔΨ欠雌c動物有毒，并且它們能夠與某些物質(zhì)結(jié)合以使油品變色。已經(jīng)嘗試從棉花種子中去除棉酚。浙江大學(xué)朱水靜的研究團(tuán)隊(duì)通過穿越G 的兩倍體，開發(fā)了一種具有延遲色素愉度形態(tài)發(fā)生的雜交種。浙江大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)告了在固體底物發(fā)酵過程中，熱帶念珠菌ZD-3 處理優(yōu)化工藝參數(shù)f或降低棉籽中棉酚水平的方法。

3 分子育種

雖然中國現(xiàn)在是世界第一大棉花生產(chǎn)和利用國，但中國生產(chǎn)的商業(yè)棉皮纖維質(zhì)量范圍很窄，因此中國消費(fèi)的纖維中有30% 以上是再進(jìn)口的，以適應(yīng)紡織業(yè)。因此，提高纖維質(zhì)量對中國研究人員來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。張?zhí)煺涞难芯繄F(tuán)隊(duì)是國內(nèi)第一個(gè)篩選與重要農(nóng)藝性狀基因或QTL（Qu抗性狀位點(diǎn)）相關(guān)的分子標(biāo)記組，他們通過高纖維的偏析分析研究了高質(zhì)量纖維特性的遺傳。發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的皮棉百分比QTL qLP-A10-1，這可能對標(biāo)記輔助選擇具有特殊價(jià)值。他們還開發(fā)了G. raimondii EST-SR（表達(dá)序列標(biāo)簽—簡單序列重復(fù)s 或微衛(wèi)星DNA）標(biāo)記，可用于棉花育種和基因組研究。張賢龍組還構(gòu)建了基于序列相關(guān)擴(kuò)增多態(tài)性（SRAP）的棉花育種遺傳連鎖圖譜。王坤波在CRI 的group 在棉花中成功地進(jìn)行了GISH-NOR（基因組原位雜交-核仁組織區(qū)）分析，為染色體工程奠定了基礎(chǔ)，為育種提供了有價(jià)值的工具。杜雄明在CRI 和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的馬志義，采用SSR 分子標(biāo)記技術(shù)篩選出精英種質(zhì)，得到18 個(gè)優(yōu)質(zhì)纖維品系和4 個(gè)抗鐮刀菌枯萎菌的品系。

4 結(jié)語

在過去的10年中，世界相關(guān)學(xué)者已經(jīng)在棉花全棉基因組測序和育種中獲得了巨大進(jìn)展，包括二倍體棉花物種，四倍體棉花物種以及幾種棉質(zhì)cp 和mt 基因組。這些成果在幾個(gè)重要領(lǐng)域取得了突破，包括幾個(gè)重要基因或基因家族的鑒定和表征。這些成果包括纖維發(fā)育的調(diào)控和棉酚生物合成，解剖對黃萎病抗性和非生物脅迫的信號通路反應(yīng)，以及闡明基因組進(jìn)化，馴化和多倍化的調(diào)控機(jī)制。這些成就將成為比較基因組學(xué)、功能基因組學(xué)和現(xiàn)代棉花育種之間的橋梁。然而，與擬南芥和水稻相比，在與重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的基本生物過程的分子調(diào)控方面仍存在較大的知識差距。之所以存在這些差距，是因?yàn)殡y以確定這些過程背后的關(guān)鍵監(jiān)管機(jī)構(gòu)的目標(biāo)，也難以建立快速簡單的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。顯然，控制復(fù)雜生理和農(nóng)藝性狀的更關(guān)鍵基因和QTL 的克隆和功能表征將是未來研究的主要挑戰(zhàn)。因此，隨著棉花基因組測序和基因組編輯技術(shù)的不斷發(fā)展，以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)的改進(jìn)和標(biāo)記輔助選擇的使用，可以有效地創(chuàng)新種質(zhì)和棉花育種。