棉花纖維品質(zhì)分子育種的現(xiàn)狀及展望

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)了中國實驗室取得的重大進(jìn)展，并討論了與這種獨特的作物植物發(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)研究計劃（973）中啟動了一個項目，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)隊通過比較分析，鑒定了633 個在同一時期受到差異調(diào)控的基因。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張賢龍實驗室也報告了類似的工作。他們獲得了455 個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)其他實驗室報道的轉(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，因為大約只有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)研究所的薛永彪實驗室也獲得了類似的結(jié)果，該研究團(tuán)隊鑒定了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）的余樹新實驗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。

李雪寶的實驗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 微生物研究所的實驗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）的實驗室發(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)的實驗室，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)隊報告說，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)隊描述了一個棉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)隊報道，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，因為它們通常對非反芻動物有毒，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)的一個實驗室報告了在固體底物發(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巨大的挑戰(zhàn)。張?zhí)煺涞难芯繄F(tuán)隊是國內(nèi)第一個篩選與重要農(nóng)藝性狀基因或QTL（Qu抗性狀位點）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 個優(yōu)質(zhì)纖維品系和4 個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。這些成果在幾個重要領(lǐng)域取得了突破，包括幾個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，是因為難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。