上海生科院揭示棉纖維伸長發育的調控機制

　　中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所陳曉亞研究組克隆鑒定了控制棉纖維生長的一個關鍵基因，成果于11月21日在Nature Communications 發表，題為《異形框轉錄因子GhHOX3控制棉纖維生長》（Control of cotton fiber elongation by a homeodomain transcription factor GhHOX3）。

　　棉纖維是最受消費者歡迎的紡織材料，全世界超過80個國家種植棉花。中國是最大的原棉生產國和消費國，直接從事棉紡及相關行業的人員達到2000多萬，間接就業人員達到1億。因此，棉花在我國國民經濟中具有舉足輕重的地位。棉纖維長度是棉花品質的重要指標，我國優質棉缺乏，每年進口100多萬噸。

　　棉纖維由棉花種子表皮細胞分化而來，是高等植物中伸長最快、合成纖維素最多的單細胞。棉纖維發育過程可分為分化與突起、迅速伸長、次生壁合成以及脫水成熟4個部分重疊的時期，其中纖維伸長和次生壁合成與品質性狀的關系最為密切。然而到目前為止，關于棉纖維發育、尤其是纖維伸長調控的研究還相對較少。

　　通過關聯分析和遺傳定位，研究人員發現一個含有同源異型框的轉錄因子GhHOX3與棉纖維伸長相關。在棉花體中提高GhHOX3的表達可以增加棉纖維長度，而抑制該基因表達則可使纖維顯著變短。因此GhHOX3是棉纖維伸長的關鍵調控因子。利用高通量測序比較野生型和GhHOX3抑制株系的基因表達譜，發掘出一批纖維生長的功能基因。進一步實驗證明，兩個已報道的細胞壁松弛蛋白基因，GhRDL1和GhEXPA1，其啟動子均含有L1順式元件，可被GhHOX3識別并受到直接調控。植物激素赤霉素（gibberellin，GAs）促進植物細胞伸長，又稱為綠色革命激素，但赤霉素促進棉纖維伸長的作用機理并不清楚。以GhHOX3為誘餌進行篩選，發現它可與數個蛋白因子形成復合體，包括赤霉素途徑的負調控因子DELLA蛋白GhSLR1。體內和體外的實驗結果表明，DELLA類蛋白通過結合GhHOX3阻擾其形成有活性的轉錄因子復合體，從而影響下游功能基因的表達。赤霉素信號通過解除負調控因子來促進棉纖維伸長。

　　該研究不僅克隆鑒定了一個控制棉纖維伸長的關鍵基因，而且揭示了赤霉素促進細胞伸長的新機制，為進一步解析植物細胞伸長的調控機制、克隆棉纖維發育新基因打下了基礎，也為棉纖維品質改良提供了靶標基因。博士生單淳敏為該研究做出了重要貢獻，來自南京農業大學、美國愛荷華州立大學及美國德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員參加了部分工作。

　　研究項目得到科技部、中國科學院和國家重大專項的資助。