棉花是目前人类驯化的一种不可替代的经济作物，培栽种遍布世界各地。棉花种子表皮特化形成极长的纤维细胞，使其具有很高的研究和应用价值。迄今为止，棉花的研究已在多基因组组装、基因编辑、纤维发育的分子机制、代谢产物的生物合成与分析到遗传育种等多个方面取得重要进展，在创制更长、更坚韧的纤维细胞这一方面科研人员也进行了大量而深入的探索。
已发表的综述大多只针对若干研究方向进行探讨，为了全面而系统地阐述棉花分子生物学当前所取得的重要研究成果， 近日， SCIENCE CHINA Life Sciences (SCLS)在线发表了由朱玉贤院士和陈晓亚院士领衔，张献龙、李付广、孔照胜教授等18位国内大学与科研单位作者共同撰写的棉花分子生物学研究系统性综述“A comprehensive overview of cotton genomics, biotechnology and molecular biological studies”。该综述长文囊括了450多篇棉花研究相关文献，以19000多字的篇幅，加上9张插图，从六个方面详细地总结了目前在棉花分子生物学研究中取得的重要进展。
这篇综述长文的第一部分为“Advances in cotton genomics studies”，该部分详述了当前棉花基因组学研究的进展。文章首先总结了从2012年至今对各种培栽棉和野生棉棉种的参考基因组测序研究，揭示棉属物种的起源与进化。
图1 棉属参考基因组及系统发育研究进展
然后从获得的泛基因组数据入手，分别从结构变异、三维基因组以及表观遗传等多个维度来探索棉属的基因组加倍现象。
图2 棉属基因组多倍体化过程中的结构变异与三维基因组研究
最后针对培栽棉和野生棉棉种的基因组差异，来解析各培栽棉棉种的驯化选择与群体遗传学。
图3 栽培棉的驯化选择与群体基因组学研究
第二部分是“Progresses in cotton genome editing”，描述了棉属植物中基因组编辑的主要进展，并针对目前已经运用多项编辑技术成功获得转基因植株的编辑情况进行总结与分析。
图4 基于CRISPR的多种基因组编辑技术示意图
第三部分是“Advances in molecular studies during cotton fiber development”，这一部分详尽归纳了棉纤维起始和伸长过程中包括转录因子复合体、植物激素和膜蛋白及小分子在内的多种调控因子的研究，展示了这个巨大而复杂的调控网络如何指导纤维细胞的发育。
图5 棉纤维起始和伸长的调控网络
第四部分是“Cell walls and membrane structures”，该部分囊括了参与棉纤维细胞壁各基质形成的关键蛋白的研究，并重点阐述了棉纤维次生加厚过程中，关键的转录因子级联调控纤维素合酶基因、miRNA及膜蛋白组分等多因素交叉，指导不同于其它物种的棉属独特次生壁的形成。
图6 棉纤维细胞次生壁加厚的模式图
在棉纤维发育关键基因挖掘的基础上，利用荧光蛋白标记的细胞骨架F-肌动蛋白和微管蛋白转基因棉花株系，确立了棉纤维细胞独特的顶端偏向的扩散（tip-biased diffuse）生长模式。
图7 荧光显微镜下的棉纤维细胞F-肌动蛋白与微管蛋白运动轨迹
第五部分“Cotton plant architecture, flowering and seed oil utilization”分别从棉花的株型构建、开花调控及棉子中的油分利用等多个研究模块进行详细地归纳总结，可为各物种多角度多方位的研究提供指导。
第六部分“Secondary metabolism and resistance to pathogens and pests”聚焦于棉花次生代谢产物与抗病虫害的研究。棉属物种富含的酚类物质能赋予植株强大的抗病虫害能力，却因其毒性影响了商业价值。多年积累的研究使得人们已经清楚棉酚的生物合成及功能，而创制出营养组织多酚而生殖组织少酚的棉花株系仍需努力。
图8 棉酚的生物合成途径
第七部分是“Diversity, trait-related loci identification, and molecular breeding”，重点讨论了培栽棉的重要农艺性状与分子育种策略，为培育更高产高质量的棉花品种指明了方向。
图9 栽培棉遗传多样性和重要农艺性状的鉴定
最后，文章对棉花功能基因组学研究存在的问题进行了论述，并提出了新的探索路径。此外，还对世界各国棉花生长局势与我国当前棉花的生产与消耗问题进行了探讨。文章评述了我国与棉花种植大国巴基斯坦如何更好的合作以及可能遇到的种植问题，同时提出在当前国际形势下国内棉花的种植地域的选择与种植条件的改良等观点，对我国棉花产量的稳步上升提供了很好的指导意见。
该综述通讯作者为朱玉贤、陈晓亚、张献龙、李付广和孔照胜五位教授，共同作者均为我国在植物科研一线的专家学者。该综述内容详尽且自成体系，其中所引用的文献都是高质量佳作，相信该文将会对棉花乃至各物种分子生物学研究及育种工作提供重要的参考和指导。
原文链接：
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-022-2278-0
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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