棉花主要早熟性狀開花時間調(diào)控位點(diǎn)及機(jī)制研究進(jìn)展

閻媛媛，張子豪

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河北 保定 071001）

棉花被認(rèn)為是研究植物多倍體的模式物種，為了解植物基因和基因組的進(jìn)化模式和機(jī)制提供了組織框架和系統(tǒng)發(fā)育的視角［1］。異源四倍體栽培品種陸地棉(Gossypium hirsutumL)是目前種植最廣泛的棉種，為紡織業(yè)提供主要纖維原料。陸地棉起源于熱帶地區(qū)，隨著馴化培育和自然選擇，其熟性得到了很大的提高，特別是全生育期已減少到大約140 d，例如‘中213’，全生育期在105 d 以內(nèi)，纖維品質(zhì)好，產(chǎn)量高［2］。我國棉花的主要生產(chǎn)區(qū)—西北內(nèi)陸棉區(qū)，絕大多數(shù)地區(qū)有效積溫偏低，嚴(yán)重影響了中、晚熟棉花的成熟吐絮，此環(huán)境對棉花的早熟性狀要求更為迫切［3］。1919 年我國從美國引進(jìn)早熟性好、結(jié)鈴性強(qiáng)的金字棉，并將其馴化成了我國棉花品種的“早熟源”，使我國短季棉育種進(jìn)入了一個新的時代［4］。由于早熟棉的成功選育，新疆北部的種植面積已擴(kuò)大到北緯46 度［5］。在黃河和長江流域，小麥/油菜與棉花的輪作是早熟棉利用的又一顯著成效，通過一年兩熟甚至多熟，實(shí)現(xiàn)棉糧雙豐收，有效提高土地經(jīng)濟(jì)效益。因此，培育早熟棉被認(rèn)為是緩解當(dāng)前糧棉爭地矛盾、提高植棉經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。本文綜述了棉花早熟性主要性狀調(diào)控位點(diǎn)及機(jī)制，為早熟棉分子育種提供理論支撐。

1 棉花早熟相關(guān)位點(diǎn)的鑒定

早熟是短季棉的一個顯著特征，是數(shù)量遺傳的一個復(fù)雜農(nóng)藝性狀［6］。在品種選育方面，早熟性包含苗期、蕾期、開花時間、花鈴期和全生育期［7］。其他農(nóng)藝性狀，如株高、第一果枝節(jié)位、第一果枝節(jié)位高度和霜前花率等也被用作早熟指標(biāo)［8-9］。喻樹迅認(rèn)為苗期、蕾期、脫落率、第一果枝節(jié)位及霜前花率是鑒定棉花早熟性的可靠形態(tài)指標(biāo)，主要受基因遺傳控制，遺傳率高［10］；趙倫一等認(rèn)為現(xiàn)蕾期或盛絮期是評定陸地棉早熟性的指示性狀［11］。林昕［12］通過對早熟棉花各性狀相關(guān)關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)株高與早熟性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，果枝數(shù)與早熟性成顯著正相關(guān)。這些描述棉花早熟性的性狀均屬于數(shù)量性狀，而對棉花早熟性遺傳規(guī)律的探究表明早熟性狀的遺傳模式符合加性—顯性遺傳模型［9,13-15］。

近年來，隨著分子標(biāo)記技術(shù)及基因組測序技術(shù)的不斷發(fā)展，許多與早熟性狀相關(guān)的QTL 陸續(xù)被鑒定，包括與開花時間（FT）、全生育期（WGD）、第一果枝始節(jié)（NFFB）、花鈴期（FBP）、株高（PH）和第一果枝高度相關(guān)位點(diǎn)。結(jié)合早熟相關(guān)農(nóng)藝性狀的相關(guān)性，我們總結(jié)了3 個早熟重要指標(biāo) 性 狀NFFB、WGP 和FT 相 關(guān) 的QTLs。SSR 標(biāo)記連鎖分析與全基因關(guān)聯(lián)分析（GWAS）分別定位到256 和28 個早熟相關(guān)位點(diǎn)，共284 個，分布在陸地棉26 條染色體上。其中，D03 染色體定位到的早熟相關(guān)位點(diǎn)最多，包含遺傳群體連鎖分析定位到的70 個位點(diǎn)和自然群體GWAS 關(guān)聯(lián)分析定位到的10 個位點(diǎn)，這些位點(diǎn)較均勻的分布在該染色體上，而在35.47～39.84 Mb 區(qū)段存在FT 富集位點(diǎn)，在13.56 Mb 處 定 位 到2 個WGP、2 個FT 和1 個NFFB 位點(diǎn)，表明這些位點(diǎn)包含調(diào)控開花的重要基因，但我們對其功能知之甚少。在25.21～25.60 Mb和35.49～40.29 Mb2 個區(qū)間內(nèi)，遺傳群體和自然群體均定位到早熟相關(guān)位點(diǎn)，其中GhCIP、GhTOC1和GhCOL2基因均響應(yīng)光照，參與光周期調(diào)控［16-20］，這些位點(diǎn)可能貢獻(xiàn)了陸地棉光周期適應(yīng)性的拓寬。其次，A02、A03、A08、A10、D01、D08、D10 和D13 包含10 個以上早熟相關(guān)位點(diǎn)，但這些位點(diǎn)包含的早熟相關(guān)基因功能尚不清楚，其中GWAS 關(guān)聯(lián)到赤霉素合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑的基因，表明赤霉素能夠調(diào)控棉花開花及熟性。另外GhELF4基因的定位，進(jìn)一步證實(shí)棉花對光周期的適應(yīng)性同時伴隨著溫度適應(yīng)性的改變［21-23］。在A02 染色體2.76 Mb處、A04 染色體22.5 Mb 處、A10 染色體14.4 Mb和28.24 Mb處定位到與WGP和FT相關(guān)的共同位點(diǎn)，在A04 染色體31.12 Mb 和D08 染色體27.33 Mb 處存在與NFFB 和WGP 共同相關(guān)的位點(diǎn)，表明棉花全生育期、開花時間與第一果枝節(jié)位性狀間存在基因組水平的關(guān)聯(lián)性，這一現(xiàn)象在對早熟棉自然群體的GWAS 分析中亦存在［24］，預(yù)示這些描述棉花早熟性的性狀可能受相同基因調(diào)控。

根據(jù)前人定位與早熟性相關(guān)的QTL，在多組生育期差異明顯的材料中，均在D03 染色體的不同區(qū)段上定位到全生育期和開花時間等早熟性相關(guān)的QTLs，本文指出D03 染色體對于棉花早熟性調(diào)控十分重要，進(jìn)一步解析這些主效穩(wěn)定QTL 位點(diǎn)包含的遺傳信息，如基因功能、結(jié)構(gòu)變異及表觀遺傳Marker 的變異，對理解棉花熟性相關(guān)性狀調(diào)控機(jī)制有重要意義，同時也為分子育種改良提供設(shè)計(jì)思路。

2 陸地棉開花相關(guān)基因研究進(jìn)展

目前，多個棉花基因組的測序與組裝拓寬了我們在基因組水平對棉花多倍體進(jìn)化事件、變異與適應(yīng)的認(rèn)識，同時推進(jìn)棉花研究進(jìn)入后基因組時代。對于棉花功能基因組學(xué)的研究大多集中于抗病和纖維發(fā)育領(lǐng)域，對棉花開花調(diào)控的研究較少，多為已知開花調(diào)控基因在棉花中同源基因的克隆與功能驗(yàn)證，對棉花開花調(diào)控基因拷貝數(shù)及調(diào)控機(jī)制知之甚少［25-26］。

2.1 已克隆棉花開花調(diào)控子功能

開花時間是描述棉花早熟性的關(guān)鍵指標(biāo)性狀。第一個被克隆的棉花開花時間調(diào)控子為LFY 同系物［25］，其在頂端分生組織（SAM）中高表達(dá)，葉片中也能檢測到其表達(dá)，這與擬南芥僅在SAM 和葉原基的表達(dá)模式不同，并且隨著棉苗的發(fā)育，GhLFY的轉(zhuǎn)錄水平不斷升高。超表達(dá)GhLFY不僅促進(jìn)擬南芥開花，還表現(xiàn)出次生花取代次生枝的表型，說明GhLFY功能保守，具有促進(jìn)開花和花序構(gòu)成的雙重功能。

MADS 家族以其在植物開花時間調(diào)控和花器官發(fā)育中的重要作用而被熟知。MADS-box 基因家族 分 為2 大 類，MADS intervening keratin-like 和C-terminal (MIKC)-type MADS-box 基因，在陸地棉中研究最多的為MIKC 型MADS-box 基因［27］。對棉花MADS 家族成員的鑒定表明，棉屬基因組中沒有FLC 亞族，這與其起源于熱帶、亞熱帶地區(qū)，不需要春化作用促進(jìn)開花的生長習(xí)性相吻合。Suppressor of overexpression of constans 1(SOC1)，APETALA1(AP1) 和Short vegetative phase(SVP) 等是MADS 家族中開花調(diào)控的明星基因，SOC1 是重要的開花時間整合子，直接激活LFY的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而促進(jìn)AP1的表達(dá)，AP1 在花序分生組織中的積累被認(rèn)為是花器官發(fā)育的起始；SVP 與FLC 形成開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵抑制子，防止植物早花造成的生殖失敗。GhAP1.7能夠促進(jìn)棉花開花，但沉默或超表達(dá)該基因均未表現(xiàn)出任何花器官或植株結(jié)構(gòu)的變化［28］，而GhMADS42（D12 染色體上的AP1-like基因）不僅促進(jìn)擬南芥開花，超表達(dá)植株同時表現(xiàn)出花器官結(jié)構(gòu)和主莖分枝結(jié)構(gòu)的異常［29］，說明GhMADS42影響了花序的建成。這些結(jié)果說明AP1同源基因在四倍體棉中既有功能冗余，又有功能差異，這一現(xiàn)象說明多倍體基因組進(jìn)化的復(fù)雜性，解析同源基因不同拷貝的功能是棉花功能基因組研究的重要組成。GhAP1 蛋白能夠與赤霉素（GA）路徑蛋白GhGAI 和GhNFYC4 互作［30］，可能是GA 促進(jìn)棉花開花路徑的效應(yīng)子，這一機(jī)制不同與擬南芥，由于目前尚缺少GA 調(diào)控棉花開花的研究，GA 調(diào)控棉花開花的機(jī)制未知。GhSOC1和GhMADS29（SVP-like基因）均在葉片中高表達(dá)，表明其在開花調(diào)控過程中是植物感受環(huán)境信號變化的重要效應(yīng)子。GhMADS29隨著棉苗的發(fā)育表達(dá)量升高，表達(dá)趨勢與擬南芥SVP相反［31］，預(yù)示其可能促進(jìn)棉花開花，且高水平GA 處理植株，葉片中GhMADS29表達(dá)量在6 h 內(nèi)明顯下降，可能參與了GA 調(diào)控開花這一路徑。而酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)表明GhMADS40（SVP-like基因）與GhSOC1 互作，GhSOC1與GhAP1的多個同系物互作［29］，共同調(diào)控棉花開花時間。棉花MADS 蛋白互作的復(fù)雜性與其通過不同多聚體識別不同間距的兩個CArG-box的分子機(jī)制一致，也因四倍體棉中MADS 基因的擴(kuò)增使得棉花開花時間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜。GhSOC1在擬南芥中過表達(dá)促進(jìn)開花，通過直接結(jié)合GhLFY和AP1-like 基因啟動子的CArG-box 序列促進(jìn)下游GhLFY和GhAP1s基因的轉(zhuǎn)錄，而GhSOC1 并未結(jié)合在檢測的GhFT啟動子區(qū)段［25,29］。與這一結(jié)果不同，擬南芥中FT-SOC1-LFY-AP1 形成線性調(diào)控，進(jìn)一步解析棉花整合子在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)制，對解析棉花開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)十分重要，這可能為我們認(rèn)識棉花適應(yīng)環(huán)境提供新思路。此外，GhAGL17.9在擬南芥中過表達(dá)促進(jìn)了LFY和SOC1的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而導(dǎo)致開花提前［27］。擬南芥AGL17響應(yīng)光周期變化，在長日照條件下直接促進(jìn)LFY的轉(zhuǎn)錄，行使開花促進(jìn)子的功能［32］。但AGL17與SOC1的調(diào)控關(guān)系未知，棉花中GhAGL17.9的調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步解析。陸地棉中報道含有207 個MADS 家族成員，其中MIKC 成員108 個，盡管已知很多成員在花器官中高表達(dá)，如GhAP1s，GhAGs，GhSEPs和GhSOC1s［27,33］，但其功能尚不清楚。作為開花時間調(diào)控的重要轉(zhuǎn)錄因子，大量參與棉花成花誘導(dǎo)過程的MADS 成員尚未鑒定。

磷脂乙醇胺結(jié)合蛋白(Phosphatidyl ethanolaminebinding proteins)在花序分生組織和開花時間調(diào)控中具有中心地位，被視為是成花素的主要成分。擬南芥FT 蛋白在維管束韌皮部伴胞細(xì)胞中產(chǎn)生，被運(yùn)輸?shù)巾敹朔稚M織與bZIP 轉(zhuǎn)錄因子FD 相互作用，并結(jié)合下游基因AP1和LFY的啟動子來激活花分生組織特異性基因的表達(dá)［34］。在單子葉模式作物水稻中也同樣發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)T 的同源蛋白Hd3a 能結(jié)合水稻OsFD1的啟動子調(diào)控該基因的表達(dá)［35］。陸地棉中鑒定到20 個PEBP 基因，分為4 個亞家族：FT、FT-like、TFL1 和MFT［36,37］。GhTFLb和GhTFLd在SAM 中高表達(dá)，GhFEBP2在葉片和SAM 中高表達(dá)，預(yù)示其參與成花誘導(dǎo)。GhFT，GhTFL1a，GhTFLc，GhTFL1d，GhMFT1，GhMFT2和GhFEBP2的轉(zhuǎn)錄水平隨棉苗的發(fā)育不斷升高，且第3 片或第4 片真葉時表達(dá)量升高到高水平，表達(dá)趨勢與GhSOC1一致，符合開花促進(jìn)子的功能［25,37］。然而擬南芥TFL 是開花抑制子，F(xiàn)T 與其競爭結(jié)合FD，進(jìn)而去除TFL1對LFY的抑制作用，使?fàn)I養(yǎng)分生組織轉(zhuǎn)變?yōu)樯撤稚M織［38］。棉花中多個TFL 同系物功能的差異有待挖掘。GhFT在光照4 h 時轉(zhuǎn)錄達(dá)到峰值，隨后降低，在黑暗開始時轉(zhuǎn)錄水平最低，但不同與其他物種，陸地棉GhFT在長日照和短日照條件下表達(dá)模式相同［39］。超表達(dá)GhFT促進(jìn)擬南芥和煙草開花［37,39,40］，陸地棉中FT 進(jìn)化保守，A、D 亞組各含有1 個拷貝，其啟動子序列的差異導(dǎo)致D 亞組GhFT-D的轉(zhuǎn)錄水平較高，但2 個基因拷貝均在SAM 與葉片維管束中特異表達(dá)［41］。FT 被視作光周期路徑的整合子，匯聚了來自光照的信號通路。野生棉是嚴(yán)格的短日照植物，隨著陸地棉的馴化，其對光周期的適應(yīng)性增強(qiáng)，適當(dāng)延長日照時間能促進(jìn)棉花開花。對比陸地棉光周期敏感型半野生品種與光周期不敏感型現(xiàn)代品種中基因表達(dá)量發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代品種中GhFT和GhSOC1對長短日照響應(yīng)的差異性消失，而GhTFL1a，GhMFT1和GhFBEP2的表達(dá)仍保持對日照長短的差異響應(yīng)［37］，另一項(xiàng)研究也證明在馴化的陸地棉和海島棉中GhFT的表達(dá)量在長日照下較野生型升高，表明GhSOC1和GhFT可能貢獻(xiàn)了陸地棉光周期適應(yīng)性的拓寬［20］。GhMFT1和GhMFT2影響GA 通路，在種子萌發(fā)和發(fā)育過程中起調(diào)節(jié)作用，并且其均與GhFD 互作。因此，GhMFT1和GhMFT2可能是棉花開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中GA 路徑的又一參與者，但其如何平衡光周期與GA 信號間的關(guān)系，該過程是否有GhFD 的參與，這些問題尚沒有答案。此外，對棉屬14-3-3 基因家族分析揭示家族成員大多有較高的轉(zhuǎn)錄水平，在組織器官中表達(dá)差異預(yù)示著功能的多樣性，VIGS 沉默不同GhGRF基因，棉株表型的不同證明了該點(diǎn)。該家族成員GhGRF3/6/9/14/15 均與GhFT 在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)互作，而僅在細(xì)胞核內(nèi)與GhFD 互作［42-43］。盡管FT-14-3-3-FD 蛋白復(fù)合體在不同植物中是保守的，但水稻14-3-3 與Hd3a（FT 同系物）在細(xì)胞質(zhì)中的互作協(xié)助FT 進(jìn)入細(xì)胞核，形成Hd3a-14-3-3-OsFD2 復(fù)合物，維持SAM 的營養(yǎng)性生長，而OsFD1 競爭結(jié)合形成Hd3a-14-3-3-OsFD1 復(fù)合體促進(jìn)開花［44］。棉花GhGRF3/6/9/15抑制開花，而GhGRF14 促進(jìn)開花，因此棉花中GhFD-GhFT 可能通過與不同GhGRF 形成復(fù)合體決定SAM 的生長狀態(tài)。更為復(fù)雜的是陸地棉中含有5個GhFD基因，各在A、D 亞組上存在1 個拷貝，且他們在根、莖葉、花和SAM 的表達(dá)各不相同，GhFD1/2對開花時間有促進(jìn)作用，而GhFD3/4/5則對根的生長發(fā)育影響更大。因此GhFD1/2-GhGRFGhFT 可能在開花調(diào)控過程中發(fā)揮主要作用，激活GhAP1的轉(zhuǎn)錄而誘導(dǎo)開花；而GhFD3可能通過與GhFT 的互作調(diào)控Auxin 受體，將光信號傳遞到地下部位［42］。但由于我們對GhFD功能及表達(dá)特性認(rèn)識的不足，尚不清楚蛋白互作對GhFT 功能的影響，且GhFDs和GhGRFs是否響應(yīng)不同環(huán)境和內(nèi)源信號，進(jìn)而行使不同功能，這些問題的答案將為我們揭示GhFT調(diào)控機(jī)制的物種特異性。

Constans （CO）是光周期路徑的又一重要因子。Cai 等在陸地棉中鑒定了23 個CO-like 基因GhCOLs，它們在不同組織器官中的表達(dá)具有特異性，且晝夜表達(dá)模式及對長短日照短的響應(yīng)不同，說明其參與不同光周期響應(yīng)生物過程。GhCOL1-A和GhCOL1-D的異位表達(dá)均通過FT 促進(jìn)擬南芥開花［45］?；蚪M水平DNA 甲基化研究發(fā)現(xiàn)四倍體棉馴化品種GhCOL2D區(qū)段DNA 甲基化水平明顯降低，進(jìn)而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄水平的升高，在長日照條件下顯著促進(jìn)GhFT的轉(zhuǎn)錄，使四倍體棉在長日照條件下能夠較早開啟生殖生長，打破野生棉對短日照的依賴性［20］。另2 個晝夜節(jié)律鐘基因GhLUX1和GhELF3，在長日照、短日照、恒光和恒暗條件下均出現(xiàn)節(jié)律性表達(dá)模式，擬南芥中GhLUX1和GhELF3的過表達(dá)均會推遲FT的峰值，延緩開花，而沉默GhLUX1或GhELF3均增加了GhFT的表達(dá)，導(dǎo)致棉花早花。盡管GhLUX1和GhELF3的周期震蕩曲線并非完全重合，但二者以具體的形式共同抑制GhFT的表達(dá)［46］，二者蛋白水平可能同步，或其通過錯峰表達(dá)精確調(diào)控GhFT。

Squamosa promoter binding protein-like (SPL)基因是一類植物特異性轉(zhuǎn)錄因子，其蛋白產(chǎn)物含有高度保守的SBP-box 結(jié)合域。目前，對SPLs 轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在對miRNA 的表 達(dá) 調(diào) 控。SPL3/4/5的3' UTR 存 在miR156 的 結(jié)合位點(diǎn)，從幼年到成年的轉(zhuǎn)變伴隨著miR156 水平的下降和SPL3水平的升高，miR156 通過轉(zhuǎn)錄后水平抑制SPL3的表達(dá)［47-48］。水稻基因組中有19個OsSPLs基因，其中11 個可能是OsmiR156s 的靶基因，OsmiR156b和OsmiR156h在水稻中過表達(dá)導(dǎo)致嚴(yán)重矮化、穗縮小、開花延遲［49］。Zhang等從陸地棉中鑒定出24 個GhSPLs基因，發(fā)現(xiàn)18個GhSPLs基因可能是GhmiR156的靶基因，而開花整合子GhSOC1可能結(jié)合GhSPL3的啟動子而不是GhSPL18調(diào)控開花［50］。GhHB12可能受長日照誘導(dǎo)，與GhSPL10競爭調(diào)控GhFT，抑制棉花開花［51］，平衡光照路徑與年齡路徑對開花的誘導(dǎo)。此外，GhSPL10還存在獨(dú)立于GhHB12路徑的調(diào)控，可直接促進(jìn)GhSOC1和GhFUL的表達(dá)［51］，保障植物的生殖成功。

此外，GhAAI66通過GhELF4促進(jìn)開花［52］，GhFPF1促進(jìn)擬南芥開花［26］，GhHDA2/7/13/15/16在成花誘導(dǎo)過程中早熟棉中的表達(dá)高于晚熟棉，預(yù)示其可能參與開花調(diào)控［53］。

表1 棉花開花調(diào)控基因Table 1 Flowering time regulators in cotton

2.2 陸地棉開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

栽培棉對光照和溫度適應(yīng)性的拓寬，是其成為主要天然纖維和紡織纖維來源的重要基礎(chǔ)。已報道的早熟相關(guān)基因的研究大多數(shù)是基于擬南芥或其他模式作物上的開花機(jī)理解析，選取已報道的開花調(diào)控基因，在棉花基因組中進(jìn)行匹配克隆和轉(zhuǎn)基因研究，驗(yàn)證棉花同源基因的開花功能。而尋找新的開花關(guān)鍵調(diào)控基因或調(diào)控機(jī)制的研究較少，隨著雷蒙德氏棉、亞洲棉和陸地棉的全基因組測序結(jié)果相繼公布，棉花基因組學(xué)的快速發(fā)展為我們認(rèn)識該過程提供了重要信息。根據(jù)早熟相關(guān)基因定位及功能研究，我們將棉花開花調(diào)控路徑總結(jié)為4 類，分別為赤霉素路徑，光周期路徑，年齡路徑和溫度路徑，如圖2。與模式植物不同，棉花不存在春化路徑，因此基因組中也缺失FLC 基因。另外，內(nèi)源路徑相關(guān)基因僅發(fā)現(xiàn)FVE 和FLK，且缺少相關(guān)功能機(jī)制研究，因此未在本文總結(jié)。這4 個路徑中，已挖掘的光周期路徑參與基因數(shù)目最多，包括了5 個具有光周期節(jié)律的基因，以及核心震蕩子之一GhTOC1。但這些基因的表達(dá)曲線各不相同，棉花內(nèi)在節(jié)律如何穩(wěn)定尚無法預(yù)測。值得注意的是GhTFL1a 基因作為TFL1 的同源序列，其功能與TFL1相反，并參與了光周期路徑。盡管有TFL 同源序列響應(yīng)紅光或藍(lán)光的報道［59-60］，GhTFL1a 對光周期的響應(yīng)拓寬了我們對該基因功能的認(rèn)識。而不同日照時間下，GhFT對GhSOC1和GhAP1表達(dá)量的影響預(yù)示棉花響應(yīng)長、短日照激活花芽分化的機(jī)制不同，而該過程可能由GhFD和GhGRF家族的不同成員參與。GhMFT1/2和SVP-like基因受赤霉素誘導(dǎo)，且GA合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑基因均影響棉花熟性，說明GA調(diào)控開花時間的功能在棉花中是保守的，但該調(diào)控是否具有光周期依賴性有待進(jìn)一步試驗(yàn)。DELLA 蛋白通過GhNFYC4 與GhAP1 互作，但棉花中GhAP1是否調(diào)控GhLFY尚不清晰，因此GA 信號路徑如何開啟棉花生殖生長尚不清楚。GhSPLs與miR156s是年齡路徑的重要參與者，GhSOC1則是該路徑信號的整合子。不同與其他植物，GhSOC1 能特異性結(jié)合GhSPL3啟動子，這可能是一種反饋調(diào)節(jié)。另外，受長日照誘導(dǎo)的GhHB12 可與GhSPL10 拮抗，平衡光周期與年齡路徑的信號。迄今為止，我們對溫度路徑的認(rèn)識尚淺，對棉花而言，僅幾個可能參與該路徑的候選基因，可以說我們對棉花響應(yīng)溫度變化調(diào)控開花時間的認(rèn)識空白，但棉花生長對溫度的依賴性較強(qiáng)。解析該路徑參與基因的功能，對我們認(rèn)識棉花對環(huán)境的適應(yīng)性十分重要。有研究表明，光周期與溫度路徑并非兩個獨(dú)立的通路，蛋白互作與表觀遺傳調(diào)控是兩個路徑的連接紐帶［5,61-63］，這可能是我們探究棉花同時適應(yīng)光照和溫度機(jī)制的方向。

圖2 棉花開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。Figure 2 Network of cotton flowering time control.

棉花3 個開花整合子GhFT 和GhLFY 在A、D亞組各存在序列高度保守的1 個拷貝，然而SOC1同源序列數(shù)目較多，其功能又尚不清楚，這增加了棉花整合子調(diào)控開花的復(fù)雜性，加之AP1 多個同源序列的存在，其功能的冗余性和多樣性對明晰棉花開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)十分重要。VIGS 技術(shù)和CRISP 技術(shù)具有同源沉默或敲除的效果，是棉花復(fù)雜功能基因組學(xué)研究必不可少的工具。

綜合已明確功能的棉花開花調(diào)控基因，大多為開花促進(jìn)子，僅4 個基因表現(xiàn)為抑制開花的功能。然而，在環(huán)境尚未達(dá)到適宜期，且植株生物量積累不夠時，抑制花芽提早分化是保障生殖成功的重要方面，該過程中開花抑制子十分重要。擬南芥中，SVP-FLC 復(fù)合體是核心抑制子，而棉花中GhMADS29 作為SVP 同源基因，其功能可能為促進(jìn)開花，加之棉屬基因組中FLC 的缺失，使得棉苗保持分生組織營養(yǎng)性這一生物過程變得未知。挖掘抑制花芽分化起始的調(diào)控基因，對完善棉花開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)必不可少。

3 展望

作為世界棉產(chǎn)量第一大國，我國高端原棉長期依賴進(jìn)口，棉花產(chǎn)量尚不能滿足本國紡織業(yè)需求。目前，盡管我國成功培育出一系列豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗的早熟棉品種，但是棉花早熟性機(jī)理研究還處于探索階段，真正利用有價值的QTLs 培育出優(yōu)良品種的事例寥寥無幾。依據(jù)已克隆的陸地棉開花基因以及早熟性狀相關(guān)QTLs 共同定位發(fā)現(xiàn)（圖1），僅有光周期基因GhLUX1和MADS 家族基因GhAGL17.9在染色體上的位置與早熟性位點(diǎn)相近,而大多早熟相關(guān)QTLs位點(diǎn)的開發(fā)利用尚不充分。隨著基因組學(xué)和功能基因組學(xué)的深入研究，棉花早熟調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識不斷豐富，為早熟棉改良由傳統(tǒng)育種向分子育種轉(zhuǎn)變提供理論基礎(chǔ)。

圖1 早熟性狀關(guān)聯(lián)位點(diǎn)總結(jié)Fig. 1 Summary of QTLs relating to early maturity traits

現(xiàn)階段，我國棉花育種目標(biāo)從單一性狀改良發(fā)展成為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗、早熟、適輕簡化綜合改良。在推進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展過程中，不斷優(yōu)化棉花品種結(jié)構(gòu)，解決了棉花品種多亂雜和原棉品質(zhì)一致性差問題。但是還存在幾方面需要育種家去探索和實(shí)施。

（1）創(chuàng)制早熟棉新種質(zhì)。通過遠(yuǎn)緣雜交、分子標(biāo)記輔助育種，以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)將野生棉優(yōu)質(zhì)性狀基因轉(zhuǎn)育到栽培棉中是拓寬新種質(zhì)的重要方法，為早熟棉育種提供新的優(yōu)異種質(zhì)資源。

（2）進(jìn)一步開發(fā)利用早熟相關(guān)QTLs 位點(diǎn)。剖析優(yōu)異的遺傳位點(diǎn)，解析有利等位基因的遺傳基礎(chǔ)，是探究自然變異引起棉花熟性變化的原因，同時推進(jìn)有利基因聚合育種和轉(zhuǎn)基因育種在早熟棉改良中的應(yīng)用。

（3）早熟與優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高抗協(xié)同發(fā)展。早熟往往面臨著早衰，而病蟲害和旱薄鹽堿逆境等影響是制約早熟棉育種的主要原因之一，加速解析早熟與其他性狀負(fù)相關(guān)性機(jī)理的探究，并深化配套栽培管理措施的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝的結(jié)合、棉田全程機(jī)械化，才能真正解決早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)協(xié)同改良的技術(shù)難題。