The Plant Journal | 华中农大棉花团队揭示氧化还原稳态和多糖合成协同调控棉纤维伸长机制

细胞极性是细胞发育和组织形态建成的基础。目前，调控极性生长的相关机制尚不清晰，这限制了人们对生物体形态发生和组织功能的深入研究。棉花纤维作为自然界最长的单细胞之一，是研究极性生长的良好模型。因此，通过挖掘调控棉纤维伸长的候选基因并进行功能解析，可以为揭示细胞极性生长机制和改良棉花纤维品质提供理论依据。

近日，华中农业大学棉花遗传改良团队在The Plant Journal杂志上在线发表了题为“Synergistic interplay of redox homeostasis and polysaccharide synthesis promotes cotton fiber elongation”的研究论文。该研究表明GhMDHAR1AT/DT 和GhDHAR2AT/DT两个基因功能丧失后，纤维中总抗氧化能力（T-AOC）增强并且多糖合成增加。这造成了纤维次生壁合成推迟，纤维的伸长期相对延长。最终导致成熟纤维长度显著增长。

该团队前期致力于挖掘纤维品质相关的QTL位点或基因，并取得了相应的成果。在最近的研究中，通过利用376份陆地棉的基因组和纤维发育6个时间点的转录组，发掘了1258个与纤维品质性状相关的候选基因，解析了纤维发育的动态调控网络（Nature Genetics, 2023）。该研究基于这一群体的基因组和转录组数据筛选到AsA-GSH循环（抗坏血酸-谷胱甘肽循环）通路中潜在调控纤维长度的基因，并进行了功能研究和分子机制解析。

在纤维快速伸长阶段（8，12，16 DPA），Ghir_A05G036540（GhDHAR2AT）的表达水平在15份纤维极端长（EL）材料中显著高于15份极端短（ES）的材料。此外，Ghir_D09G014420（GhMDHAR1DT）第9和第11号外显子上存在的核苷酸变异导致编码的氨基酸改变，而且Leu-Phe氨基酸取代位于保守的Pyr_redox-2结构域内，可能会引起MDHAR蛋白功能的改变。基于这两个变异把376份材料划分为三种单倍型，单倍型1（Hap1）的纤维长度显著长于单倍型2（Hap2），说明GhMDHAR1DT编码序列的改变会影响纤维长度。这些结果暗示了GhMDHAR1AT/DT 和GhDHAR2AT/DT对纤维长度的调控作用（图1）。

图1. AsA-GSH循环通路中GhMDHAR1AT/DT 和GhDHAR2AT/DT对纤维长度潜在的调控作用。

AT和DT亚基因组的GhMDHAR1和GhDHAR2经CRISPR/Cas9系统敲除后，CRISPR突变体（CRM/CRD）纤维长度显著伸长，突变体纤维伸长的机制需要进一步研究。纤维发育5个时期的转录组数据分析发现：在多个时期上调表达的基因主要富集在细胞壁多糖生物合成过程、氧化应激的响应、细胞顶端生长、抗氧化活性和过氧化物酶活性等方面，可能会使得突变体纤维中的抗氧化能力和多糖合成增加。此外，在15-25 DPA，突变体中次生壁相关基因CESA7、CTL2、FLA7的表达量显著下降，初生壁相关基因CESA1/3、RGP3、XTH7的转录水平在10 DPA和15 DPA显著上调（图2），暗示了突变体纤维的次生壁合成推迟，初生壁合成相对延长。

图2. CRISPR突变体纤维长度和转录水平的变化。

后续试验测定发现突变体5-25 DPA纤维的抗氧化物质——GSH含量和抗氧化酶——谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）酶活性显著增加。导致突变体纤维的总抗氧化能力增强，H2O2含量显著降低。而且在转换期之后（15D-20 DPA），野生型纤维伸长缓慢，突变体的纤维仍然持续快速伸长，这证实了突变体较低的H2O2含量使纤维次生壁合成推迟，伸长期延长。此外，AsA合成路径的核心酶GGP（GDP-L-Galactose phosphorylase）酶活性在突变体中显著降低，多糖合成路径的关键酶UGP（UDP-Glucose Pyrophosphorylase）酶活性显著增加，猜测AsA和多糖的共同底物——葡萄糖将更多的转向多糖合成方向（图3）。

图3. CRISPR突变体纤维中抗氧化能力和多糖合成变化。

最后，该研究总结了氧化还原稳态和多糖合成协同调控棉纤维伸长机制。GhMDHAR1AT/DT 和GhDHAR2AT/DT敲除显著降低了纤维中MDHAR和DHAR的活性，导致还原物质NADPH和GSH水平升高，抗氧化酶GR（Glutathione Reductase）和GPX（Glutathione Peroxidase）活性升高，T-AOC增强，从而降低纤维中H2O2水平。此外，GhMDHAR1AT/DT 和GhDHAR2AT/DT的敲除降低了GGP的活性，导致AsA合成减少；UGP活性提高导致多糖含量的增加，这为纤维细胞壁的伸长提供了充足的原料，导致突变体纤维伸长期延长（图4）。

图4. 突变体纤维伸长的调控示意图。

这项研究进一步证实了氧化还原稳态在纤维发育中的调节作用，并提出了氧化还原稳态和多糖合成协同促进棉纤维伸长机制。为深入了解纤维发育、细胞极性生长，以及棉花纤维品质的遗传改良提供了有价值的见解。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的王茂军教授为该论文的通讯作者，博士生田雪寒为该论文的第一作者。华中农业大学张献龙院士和涂礼莉教授参与指导了该项研究工作。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16615

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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