肖水平　宋國立　余進祥

摘要：棉纖維是天然的，使用最為廣泛的纖維材料。提高棉纖維品質(zhì)成為當前棉花遺傳育種的重要目標，對棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的挖掘、定位、克隆與功能研究是實現(xiàn)這一目標的重要基礎。本文闡述了基于QTL定位的陸地棉和海島棉纖維優(yōu)質(zhì)基因挖掘、基于全基因組測序的棉纖維發(fā)育相關(guān)基因位點鑒定和分析、基于分子標記輔助育種技術(shù)的棉纖維品質(zhì)改良以及棉花纖維發(fā)育相關(guān)功能基因驗證等研究進展，以期為棉花纖維發(fā)育及品質(zhì)改良研究提供有益借鑒和參考，并對今后棉花纖維相關(guān)研究和發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：棉花;纖維品質(zhì);基因挖掘;功能基因;研究進展

中圖分類號： S562.035? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-3143（2020）02-0003-12

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2020.02.001

Abstract： Cotton fiber is natural and the most widely used fiber material. Improving the quality of cotton fiber has become an important goal of cotton genetics and breeding. In this paper， QTL-based gene mining of upland cotton and island cotton fiber was described. Identification and analysis of cotton fiber development related gene loci based on whole genome sequencing; And the improvement of cotton fiber quality based on molecular marker assisted breeding technology; In order to provide useful reference for the research on cotton fiber development and quality improvement， the research and development direction of cotton fiber are prospected.

Key words： Cotton; Fiber quality; Gene mining; Functional genes; Research progress

0? 引言

棉花是全球最重要的經(jīng)濟作物之一，約占世界5%的耕地（大約3300萬公頃）用于棉花種植。棉花是世界最大的纖維作物和紡織工業(yè)原料。棉花除了它的經(jīng)濟價值外，也被作為研究植物多倍體化、細胞伸長和細胞壁生物合成的模式系統(tǒng)。目前廣泛栽培的陸地棉和海島棉為異源四倍體AD基因組，是由二倍體A基因組亞洲棉（G. arboreum）或草棉（G. herbaceum）和D基因組雷蒙德氏棉（G. raimondii）的相似種雜交，并經(jīng)過自然選擇和人工馴化而來的。

提升棉花纖維品質(zhì)是中國未來棉花供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的主攻方向。最早于1992年開展棉纖維發(fā)育基因的研究[1]，隨著科技的快速發(fā)展和科研手段的不斷更新，關(guān)于棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的定位、克隆與功能研究取得了長足進步，中國科研工作者在這方面的研究已走在世界領先行列[2]。

棉纖維是由胚珠外表皮單個細胞分化而成，棉纖維發(fā)育由4個明顯但又重疊的時期組成：包括起始分化階段（-3-3 days post anthesis，DPA）、細胞伸長及初生壁合成階段（2-20 DPA）、次生壁合成加厚階段（15-45 DPA）以及脫水成熟階段（40-50 DPA）[3-5]。其中，起始分化至次生壁合成加厚3個發(fā)育階段決定了棉纖維的產(chǎn)量和質(zhì)量，起始分化階段決定了每個胚珠上纖維的數(shù)量，初生壁和次生壁形成期決定纖維長度與強度[5-6]。目前關(guān)于棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的研究主要集中在纖維發(fā)育的前3個階段，棉花纖維發(fā)育由大量的基因參與調(diào)控，是一個復雜而有序的過程。

本文重點闡述了棉花纖維品質(zhì)改良相關(guān)基因挖掘、功能基因驗證等研究進展，系統(tǒng)梳理了相關(guān)研究內(nèi)容，以期為棉花纖維發(fā)育及品質(zhì)改良研究提供借鑒和參考。

1? 棉花纖維品質(zhì)相關(guān)基因定位、挖掘與品質(zhì)改良研究進展

1.1? 棉花纖維品質(zhì)相關(guān)基因定位與品質(zhì)改良

中國多家科研單位通過構(gòu)建陸陸種內(nèi)及陸海種間等分離群體，利用多種遺傳學手段，在陸地棉、海島棉優(yōu)質(zhì)品質(zhì)基因挖掘及利用MAS方法進行優(yōu)質(zhì)棉新品種培育等方面取得了較多成果。

1.1.1? 陸地棉纖維優(yōu)質(zhì)基因挖掘

中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所（以下簡稱“中棉所”）科研團隊利用優(yōu)質(zhì)的陸地棉材料和數(shù)個大面積推廣的陸地棉品種構(gòu)建了多個種內(nèi)分離群體，并進一步對這些群體開展了纖維品質(zhì)相關(guān)QTL和基因的挖掘工作，取得顯著成效[7-8]。通過以sGK9708（中棉所41選系）及高強纖維種質(zhì)系0-153為親本，構(gòu)建F2/F2：3以及重組自交系（Recombinant inbred lines， RILs）分離群體。以優(yōu)質(zhì)品種魯棉研28和新陸早24為親本，與優(yōu)質(zhì)親本sGK156和優(yōu)質(zhì)品系901-001構(gòu)建了分離及重組自交系群體[9-10]。Sun，等[7]以上述多個群體（F2、F2：3家系及RILs）分別用SSR標記方法構(gòu)建了遺傳連鎖圖，在F2世代和RIL群體遺傳連鎖圖中，分別定位了20個和40個纖維品質(zhì)相關(guān)QTLs，可解釋的表型變異率分別為5.02%～30.67%和1.60%～27.86%。并綜合3個世代共檢測到 50個纖維品質(zhì)相關(guān)QTL，其中2個 纖 維 強 度 QTL（qFS- C7-1、qFS-C25-1）在不同世代、環(huán)境、群體中均穩(wěn)定表達，可用于可供MAS育種利用。接著，Jamshed，等[11]進一步利用上述RIL群體，構(gòu)建了加密的遺傳連鎖圖譜，該圖譜包含793個SSR標記位點，定位了31個纖維長度相關(guān)的QTLs和35個纖維強度及馬克隆值相關(guān)的QTLs。Zhang，等[8]進一步利用棉花63K芯片對該RIL群體進行圖譜構(gòu)建與基因分型，定位出了16個穩(wěn)定的纖維強度QTLs（3個不同環(huán)境中均穩(wěn)定檢測到）。此后，Sun，等[7]和Shao，等[12]分別利用SSR標記方法對陸地棉RIL群體構(gòu)建遺傳圖譜及定位纖維品質(zhì)QTLs，Sun和Shao分別在陸地棉25號染色體上定位到了各2個與纖維長度、強度、馬克隆值相關(guān)的QTL，Shao且在該染色體上定位到了1個與纖維強度相關(guān)的QTL。Zhang，等[13]利用SSR和SNP標記，同樣對構(gòu)建的陸地棉遺傳連鎖圖譜開展纖維品質(zhì)指標性狀的QTL定位，總共定位到17個在2個及2個以上環(huán)境中均穩(wěn)定出現(xiàn)的QTLs，其中5個與纖維長度相關(guān)，7個與纖維強度相關(guān)，5個與馬克隆值相關(guān)。目前，正在對這些QTL進行細定位及育種價值評價工作。

此外，Yuan，等[14]和石玉真，等[15]利用構(gòu)建的F2群體（7235 X TM-1雜交）進行SSR分析檢測，找到與高強纖維連鎖的能夠穩(wěn)定遺傳且效應穩(wěn)定的QTL，能夠解釋表型變異的53.8%。王娟，等[16]利用優(yōu)質(zhì)品種渝棉1號與TM-1雜交構(gòu)建陸地棉F2及F2B3分離群體，通過復合區(qū)間作圖法檢測到與纖維品質(zhì)連鎖的QTL 12個，并與前人結(jié)果綜合分析發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)質(zhì)纖維QTLs主要定位在第23號和24號染色體上。Zhang，等[17]和He，等[18]開發(fā)了6種新的分子標記（如SRAP、TRAP等），構(gòu)建了陸陸、陸海高密度連鎖圖譜。共檢測到112個纖維品質(zhì)性狀QTLs，其中發(fā)掘了14個控制品質(zhì)的主效 QTLs，其中6個在不同世代表現(xiàn)穩(wěn)定，并篩選出了與優(yōu)質(zhì)基因緊密連鎖的標記8個。

1.1.2? 海島棉纖維優(yōu)質(zhì)基因挖掘

海島棉纖維品質(zhì)優(yōu)異，高抗黃萎病，但產(chǎn)量低，如何挖掘利用其品種優(yōu)勢一直是科研工作者研究的熱點?？蒲腥藛T提出了通過種間雜交并結(jié)合分子標記輔助回交方法，構(gòu)建高代回交群體及染色體片段代換系群體，這些方法可將海島棉品質(zhì)優(yōu)異基因?qū)腙懙孛蓿瑢ν礁牧缄懙孛蘩w維品質(zhì)和產(chǎn)量[19]。

石玉真，等[20]系統(tǒng)研究了陸海種間雜交纖維品質(zhì)和產(chǎn)量性狀的遺傳，其利用3個優(yōu)質(zhì)海島棉品系（海1、Giza75和7124）和4個陸地棉品種/系（中棉所36、中棉所37、中棉所45和中394）及其配制的12個F1雜交組合為研究對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陸海種間雜交纖維品質(zhì)的遺傳明顯不同于陸陸種內(nèi)雜交纖維品質(zhì)的遺傳。在雜種優(yōu)勢方面，前者表現(xiàn)出了纖維品質(zhì)性狀和產(chǎn)量指標（鈴重和衣分）雙優(yōu)勢，部分纖維品質(zhì)指標超親優(yōu)勢明顯。并對上述 4 套組合進一步構(gòu)建了多個世代的回交群體和陸海染色體片段代換系（含不同遺傳背景）。進一步利用構(gòu)建的海陸漸滲系與2個主栽品種進行雙列雜交，不但使雜交種具有產(chǎn)量高優(yōu)勢，而且獲得的改良親本在產(chǎn)量和纖維品質(zhì)方面均具有很好的一般配合力[21]。

研究表明，通過分子標記方法研究陸海種間群體較陸地棉群體更有優(yōu)勢，因為前者具有更高的多態(tài)性，也因此更容易構(gòu)建出高密度的遺傳連鎖圖譜，更多的QTLs會被定位到，這一研究結(jié)果為利用海島棉優(yōu)質(zhì)纖維基因改良陸地棉纖維品質(zhì)奠定材料基礎。以優(yōu)質(zhì)海島棉品系海1為供體親本，陸地棉栽培品種中棉所36、中棉所45為輪回親本（中棉所36×海1、中棉所45×海1），采用家系回交法構(gòu)建了兩套不同世代回交的漸滲系群體[22-25]。Shi，等[26]以中棉所36×海1的BC1F1為作圖群體構(gòu)建了高密度遺傳圖譜。此后，蘭孟焦，等[25]、尹會會[27]及馬留軍，等[28]分別對中棉所45為背景的不同世代漸滲系（BC4F3、BC4F3：4、BC4F3：5）進行了評價，通過評價多個試點的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)指標，鑒定出一系列漸滲系材料，產(chǎn)量和纖維品質(zhì)指標均優(yōu)于輪回親本。并在先前構(gòu)建的高密度分子遺傳圖譜上，進一步按每5～10 cm距離累計挑選459個SSR標記，對以中棉所45為背景的漸滲系群體進行了基因型鑒定。對3個世代漸滲系群體進行纖維品質(zhì)綜合評價，篩選出在3個世代表現(xiàn)穩(wěn)定，且纖維長度和比強度均在30 mm 和30 cN/tex 之上的優(yōu)良 BC4F3：5 株系9個。

中棉所袁有祿課題組進一步利用海島棉Giza75和陸地棉SG747親本材料，通過雜交回交構(gòu)建了包含146個系的BC2F5群體，并構(gòu)建SSR遺傳圖譜。利用該圖譜并結(jié)合多點多區(qū)（5個環(huán)境、3個生態(tài)區(qū)）調(diào)查數(shù)據(jù)定位纖維品質(zhì) QTLs，研究結(jié)果共檢測到28個纖維品質(zhì)相關(guān) QTLs，每個QTL 能解釋6.65%～25.27%的表型貢獻率[29] 。

李龍云，等[30]提取了17個已構(gòu)建的陸?；亟唤幌档?0DPA時期的纖維，并進行差異基因表達分析，通過利用基因芯片技術(shù)，結(jié)果鑒定到1490個纖維長度相關(guān)、1038個強度相關(guān)以及259個纖維細度相關(guān)差異表達基因。并進一步分析發(fā)現(xiàn)，有5個基因在棉纖維發(fā)育10 DPA時高水平表達，包括GhMYB0、GhMKRP2、GhKIF11、Gh-POD和GhKINESIN-4a等，它們對纖維長度、皮棉產(chǎn)量等表現(xiàn)出正調(diào)控或負調(diào)控的關(guān)系，研究結(jié)果認為，它們可能是棉纖維發(fā)育的重要調(diào)控基因[31]。

1.1.3? 基于全基因組測序基礎上的棉纖維發(fā)育相關(guān)基因位點鑒定

隨著棉花全基因組測序的完成，由此在棉花全基因組測序基礎上開展的棉花纖維發(fā)育與調(diào)控相關(guān)功能基因的關(guān)聯(lián)分析及定位、挖掘也取得顯著進展。

Zhang，等[32]通過建立陸地棉重組自交系（RIL）群體，用3種標記方法共8295個標記，構(gòu)建了覆蓋全基因組的標準圖譜;并在全基因組范圍內(nèi)于17個環(huán)境中對6個纖維產(chǎn)量和品質(zhì)性狀進行了評價，共鑒定出983個QTL，其中198個穩(wěn)定。共鑒定出37個QTL聚類，在QTL聚類中共發(fā)現(xiàn)1297個基因，其中414個在兩個轉(zhuǎn)錄組RNA-Seq數(shù)據(jù)集中表達，其中23個是有希望的候選基因。Wang，等[33]利用352份野生和馴化棉花種質(zhì)進行了基因組重測序工作，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，檢測到與纖維品質(zhì)性狀相關(guān)的候選基因位點19個，其中有16個是新發(fā)現(xiàn)的位點。Fang，等[34-35]利用318份棉花地方品種和現(xiàn)代改良品種或品系材料，采用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法并結(jié)合基因組重測序技術(shù)，檢測到45個和纖維品質(zhì)相關(guān)的位點，同時發(fā)現(xiàn) 2個乙烯途徑相關(guān)的基因位點與纖維產(chǎn)量相關(guān)。

此外，隨著棉花各基因組測序的完成，棉花高通量SNP分子標記技術(shù)發(fā)展迅速，Sun，等[36]利用高質(zhì)量的SNP標記構(gòu)建圖譜，可使其在棉花基因組的分布密度達到0.32 cM/SNP，使得利用芯片進行棉花全基因組關(guān)聯(lián)分析變得更加精準;并且在8個不同環(huán)境中對719個棉花品種開展表型鑒定后，利用高密度SNP芯片對棉花纖維品質(zhì)相關(guān)位點進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有46個顯著相關(guān)的SNPs能夠在至少1個環(huán)境中被檢測到，其中20個纖維長度相關(guān)的 SNPs，18個纖維強度相關(guān)的SNPs。結(jié)合陸地棉標準系TM-1的基因組序列信息，進一步分析了上述46個SNP上下游各200 kb范圍內(nèi)的候選基因，共檢測到612個候選基因。作者進一步利用轉(zhuǎn)錄組表達方法分析了其中373個候選基因（212個纖維長度相關(guān)、161個比強度相關(guān)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在纖維發(fā)育的4個時期中表達量均很高候選基因有283個，其中163個與纖維長度相關(guān)、120個與比強度相關(guān)。

Salih，等[37]利用比較轉(zhuǎn)錄組學分析了棉花Li-1突變體TUCP基因及其在棉纖維發(fā)育中的作用。研究表明在棉花中大量差異表達的TUCP轉(zhuǎn)錄本在開花后第8天被鑒定，其次是在開花當天和莖稈中被大量鑒定。2018年，華中農(nóng)業(yè)大學張獻龍團隊通過對陸地棉和海島棉之間的遺傳導入系材料進行基因組分析，鑒定了13個控制纖維品質(zhì)的遺傳位點[38]。

1.1.4? 基于分子標記輔助育種技術(shù)的棉纖維品質(zhì)改良

所謂分子標記輔助選擇（Marker-assisted slection， MAS）技術(shù)，是指利用與目標基因緊密連鎖的分子標記 （一段特異性的DNA），直接選擇目標基因型材料，選擇結(jié)果不受環(huán)境條件影響，可靠性高。MAS選擇育種技術(shù)具有快速選擇難以測定的性狀表型、可同時選擇多個基因、提高目標選擇速度和大大降低成本等優(yōu)點。目前已利用不同群體定位了多個與纖維品質(zhì)相關(guān)的QTLs，利用這些與QTLs連鎖緊密的分子標記進行分子標記輔助育種，達到快速改良棉花纖維品質(zhì)的目的，是目前提高棉纖維品質(zhì)最直接有效的方法。

王天抗，等[39]利用與纖維強度相關(guān)的4個SSR標記（3個主效QTL連鎖）對2個多交組合的雙交F1群體進行分子標記輔助選擇，發(fā)現(xiàn)棉花單株平均纖維強度隨著聚合QTL數(shù)量的增多選擇效果越明顯;并選出提高棉花纖維強度效率最高的屬聚合3個QTLs。董章輝，等[40]利用與3個纖維長度QTLs位點關(guān)聯(lián)的SSR標記，通過分子標記輔助選擇法對多套組合的雙交F1群體進行篩選，發(fā)現(xiàn)單株平均纖維長度隨著聚合QTL數(shù)量的增多，目標選擇效果越明顯。中棉所棉花分子設計育種團隊進一步利用上述創(chuàng)制的材料，通過MAS技術(shù)選育了包括擁有高比強度的海島棉漸滲系901-001在內(nèi)的多個優(yōu)異纖維新品系，并培育了系列優(yōu)質(zhì)棉花新品種。并進一步利用上述通過標記輔助選擇得到的系列優(yōu)質(zhì)品系為父本，以產(chǎn)量、品質(zhì)及抗性綜合表現(xiàn)突出的sGK中156，通過配制雜交組合，選育出了系列優(yōu)質(zhì)抗蟲雜交棉新品種（如中棉所70、中棉所78、中棉所96、中棉所101等）[19]。

2? 棉花纖維發(fā)育相關(guān)功能基因研究進展

截止目前，已經(jīng)有較多文獻報道了在棉纖維發(fā)育過程中發(fā)揮作用的相關(guān)基因。有些基因只是在纖維起始和伸長階段表達，有些基因只在次生壁增厚期表達，而另一些基因在纖維發(fā)育過程中組成型表達。

按照基因編碼蛋白的生物學功能對棉花纖維發(fā)育相關(guān)基因進行分類，主要分為9類，包括轉(zhuǎn)錄因子類（包括MYB、WD40、MADS、KNOX、bHLH、HD-ZIP、TCP等）、激素代謝類（包括乙烯、油菜素內(nèi)酯、赤霉素、細胞分列素 、生長素及脫落酸等）、細胞壁蛋白類、細胞骨架蛋白及其結(jié)合蛋白類、糖代謝類、脂肪酸代謝類、活性氧類、滲透壓調(diào)節(jié)蛋白類及其它功能蛋白[41]。其中最主要的同時也是研究最多的是轉(zhuǎn)錄因子類[42]。這些轉(zhuǎn)錄因子、激素及結(jié)構(gòu)功能基因等在棉纖維細胞發(fā)育過程中起著重要的調(diào)控作用。

2.1? 轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)基因在棉纖維發(fā)育中的研究

棉花纖維細胞的分化和發(fā)育過程復雜，各個時期均有大量基因參與調(diào)控，其中許多相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，例如MYB、MADS基因等。近年來，有524個MYB轉(zhuǎn)錄因子在棉花中被發(fā)現(xiàn)，其中部分得到驗證[43]。

研究發(fā)現(xiàn)，GhMYB25基因能調(diào)控棉花纖維等表皮細胞的分化，過量表達會導致纖維起始數(shù)目和葉片毛狀體數(shù)目增加，沉默后則會使纖維變短，也會減少植物其它部分的毛狀體數(shù)目[44]。Wang，等[42]研究證明MYB2轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控棉花纖維發(fā)育基因RDL1（RD22-like1）的轉(zhuǎn)錄起作用。海島棉中，GbMYB2基因主要是通過激活RDL1基因的表達，后者是毛狀體發(fā)育相關(guān)基因，可促進纖維的發(fā)育，GbMYB2表達部位位于棉花胚珠的外表皮和延伸的纖維細胞中，在纖維發(fā)育起始和延伸階段表達量升高。研究表明在陸地棉棉花中含有GhMYB2A和GhMYB2D兩個同源基因[45]。此外，Wu，等[46]首次圖位克隆出控制長絨纖維起始分化基因Li3，該基因編碼位于D12號染色體上的MYB-MIXTA-like transcription factor （MML） （GhMML4_D12）轉(zhuǎn)錄因子基因，Li3基因被視作調(diào)控棉纖維發(fā)育的起始“開關(guān)”，這個“開關(guān)”的發(fā)現(xiàn)對于進一步揭示棉花纖維發(fā)育的分子機制、提高“衣分”，即棉纖維在籽棉中的比例極為關(guān)鍵。

另外，MYB家族中數(shù)量最多的一類是R2R3類型基因，在對棉纖維發(fā)育的研究中該類型基因研究的也最為深入[41]。Loguerico，等[47]從陸地棉胚珠cDNA文庫中篩選到6個R2R3-MYB（GhMYB1-GhMYB6）類型轉(zhuǎn)錄因子基因，研究發(fā)現(xiàn)它們在棉纖維發(fā)育的不同時期表達水平發(fā)生變化，暗示參與棉纖維細胞發(fā)育的調(diào)控。Suo，等[48]從棉纖維起始早期胚珠克隆到一個R2R3-MYB類型基因GhMYB109。Pu，等[49]進一步通過RNAi干涉和掃描電鏡觀察等技術(shù)手段證明該基因在棉纖維細胞的起始與分化發(fā)育階段發(fā)揮功能，其可能對棉纖維發(fā)育一些相關(guān)基因（如GhACT1、GhTUB1、GhACO1、GhACO2等）有調(diào)控作用。此外，R2R3類型MYB基因有GhMYB7和GhMYB9，以及GhMYB8和GhMYB10等也參與棉纖維發(fā)育調(diào)控[50-51]。

除了MYB類轉(zhuǎn)錄因子外，還有其它一些轉(zhuǎn)錄因子也密切參與棉花纖維的發(fā)育。Liu，等[52]從陸地棉中克隆到1個GhCPC基因，將該基因在棉花中過表達可延遲棉纖維的起始分化，且使纖維長度顯著降低。GbML1、GhHD1及HOX等GL2同源性基因也參與棉纖維發(fā)育，GbML1基因能夠結(jié)合L-box順式元件，可能參與調(diào)控其它棉纖維發(fā)育基因（如RDL1等）[53-54]。Shan，等[55]和Guan，等[56]先后在棉花中克隆了3個GL2同源基因（HOX1、HOX2、HOX3），GhHOX3屬HD-ZIP轉(zhuǎn)錄因子家族，能夠控制棉花纖維的伸長;并研究發(fā)現(xiàn)HOX1和HOX3與棉花纖維發(fā)育有關(guān)，GhHOX3的靶標含有L1-box，該基因與GhHD1相互作用增強轉(zhuǎn)錄活性，與激素GA的生長抑制子DELLA（GhSLR1）相互作用，使靶基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制，進而調(diào)控棉花纖維發(fā)育。

MADS蛋白家族都含有一個由56～58個氨基酸組成的高度保守的MADS-box結(jié)構(gòu)域，是植物內(nèi)另外一個大的轉(zhuǎn)錄因子家族[57]。MADS家族對整個植物的生長發(fā)育過程的調(diào)控起著重要作用[58]。吳東，等[59]研究表明，棉花MADS-box蛋白基因（GhMAD-13）在控制棉花花器官的誘導與發(fā)育中起重要作用。在棉花中發(fā)現(xiàn)多個與棉纖維發(fā)育相關(guān)的基因，如GhMADS4-7、GhMADS1、GhMADS9、GhMADS11、GhMADS14等。

另外，Gong，等[60]在棉花中克隆了一個KNOXⅡ型轉(zhuǎn)錄因子KNL1基因（KNOTTED1-LIKE），GhKNL1基因能顯著抑制棉株的纖維長度和細胞壁厚度，該轉(zhuǎn)錄因子在纖維次生壁加厚期高表達。此外，Hao，等[61]在海島棉中克隆了一個Ⅰ型TCP基因GbTCP，該基因在5～15DPA時期的棉纖維伸長階段表達。研究表明，GbTCP具有對茉莉酸（jasmonicacid，JA）激素水平的正向調(diào)控功能，通過激活下游（如與乙烯生物合成、Ca2+信號通路相關(guān)等）基因的表達，進而促進根毛和纖維細胞的延伸，而GbTCP基因的沉默則導致棉纖維長度等品質(zhì)顯著降低。另外，王怡，等[62]通過克隆獲得海島棉新海21號材料中的GbTCP10基因，進一步分析表明，GbTCP10基因在纖維中表達量最高時期在開花后5DPA階段，它是1個轉(zhuǎn)錄抑制子，不具有轉(zhuǎn)錄激活活性，分析結(jié)果認為該基因可能參與棉花纖維的發(fā)育。

2.2? 其它類型功能基因在棉纖維發(fā)育中的研究

除了上述轉(zhuǎn)錄因子外，其他類型的棉纖維發(fā)育相關(guān)功能基因?qū)γ藁ɡw維發(fā)育也起著重要的作用。Qu，等[63]通過病毒誘導基因沉默方法解析KATANIN和WRINKLED1基因在棉花纖維發(fā)育中的功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過抑制KATAN基因的表達，導致棉花植株產(chǎn)生了較短的纖維和并提高了種子油在胚乳中的重量比，相反，當使WRINKLED1基因沉默表達時，結(jié)果卻增加棉花纖維長度但減少油籽含量，這表明通過重新分配碳流動增加了棉花纖維長度的可能性。Zou，等[64]利用棉花纖維和葉子樣品中對ssRNA-seq序列進行分析，鑒定出5996條長鏈非編碼（long noncoding RNAs）lncRNAs序列，其中3510條為長基因間區(qū)的非編碼（long intergenic noncoding RNAs）lincRNAs，2486條為天然反義轉(zhuǎn)錄子（natural antisense transcripts）lncNAT， 通過轉(zhuǎn)錄組表達分析，顯示51.9%的lincRNAs和54.5% 的lncNATs在纖維發(fā)育的一個階段優(yōu)先表達，顯著高于蛋白編碼轉(zhuǎn)錄物（21.7%）;在纖維快速伸長階段，lncRNAs的快速動態(tài)變化可能有助于棉花纖維的發(fā)育，結(jié)果揭示了長鏈非編碼RNA在棉花纖維發(fā)育中的作用。Feng，等[65]研究揭示了陸地棉組蛋白H2B單泛素化酶GhHUB2通過泛素-26S蛋白酶體途徑調(diào)控棉花纖維發(fā)育的分子機制，研究發(fā)現(xiàn)GhHUB2能夠與纖維發(fā)育負調(diào)控因子GhKNL1在細胞核相互作用。GhHUB2可以多聚泛素化修飾GhKNL1蛋白，并促進GhKNL1通過泛素-26S蛋白酶體途徑降解。與此對應，GhHUB2超表達棉花纖維中，GhKNL1蛋白積累減少，而干擾株系中GhKNL1蛋白積累增加。纖維中GhHUB2對GhKNL1降解的促進，解除了GhKNL1對下游參與纖維伸長和次生壁合成基因的轉(zhuǎn)錄抑制，提高了相關(guān)基因的表達，從而調(diào)控纖維的發(fā)育。

Xiao，等[66]對克隆到的3個在陸地棉中與赤霉素相關(guān)的GA-20氧化酶同源基因（GhGA20oxl、GhGA20ox2、GhGA20ox3）進行研究，通過在棉花中過量表達GhGA20oxl基因發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因的棉纖維和胚珠中GA含量均有增加，其棉纖維的初始數(shù)量、長度在被檢測的每個胚珠上均有顯著增加。此外，PAG1基因編碼的蛋白能夠?qū)⒂筒怂貎?nèi)酯（BR）上的 C-26 羥基化而使BR失活。PAG1蛋白主要通過控制有生物活性的內(nèi)源 BR 的含量，進而影響乙烯介導的 VLCFA途徑，已達到調(diào)控纖維發(fā)育的目的[67]。

Zhang，等[68]研究發(fā)現(xiàn)過表達棉纖維中肌動蛋白結(jié)合蛋白GhFIM2基因增加了肌動蛋白束的豐度，在纖維細胞快速伸長階段加速了纖維的生長，同時也促進了纖維次級細胞壁生物合成。結(jié)果表明，涉及GhFIM2的肌動蛋白高級結(jié)構(gòu)的動態(tài)重排在棉纖維細胞的發(fā)育中起重要作用。

Tang，等[69]研究發(fā)現(xiàn)膜聯(lián)蛋白Ghann2通過調(diào)節(jié)棉花中Ca2+的動態(tài)和信號來調(diào)節(jié)纖維伸長和纖維次生壁合成。且發(fā)現(xiàn)鈣傳感器蛋白GhCam7可能調(diào)節(jié)活性氧ROS的積累，并在早期纖維發(fā)育過程中作為Ca2+和ROS信號通路之間的分子連接物起作用[70]。

Deng，等[71]報道了一種棉花GPI錨定的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白，GhLTPG1通過結(jié)合并轉(zhuǎn)運磷脂酰肌醇單磷酸鹽，以促進纖維伸長。此外，Li，等[72]研究表明海島棉中GbEXPATR是一種特異性的α-擴張蛋白，通過調(diào)控細胞壁組成和物理性質(zhì)來增強棉纖維的伸長，可能是纖維細胞伸長的重要和基礎調(diào)節(jié)因子。上述研究結(jié)果為棉纖維基因功能研究提供了更多的基因資源，也為棉纖維品質(zhì)遺傳改良提供了堅實的研究和理論基礎。

3? 總結(jié)與展望

隨著棉花二倍體A基因組（非洲棉A1、亞洲棉A2）、D基因組（雷蒙德氏棉D(zhuǎn)5）[73-76]以及四倍體陸地棉AD1（測序品種TM-1）、海島棉AD2（測序品種Hai7124、3-79、新海21號）基因組[77-81]序列圖譜的測序完成和基因組序列質(zhì)量的不斷完善升級，對棉花纖維品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀分子機制的解析、重要性狀功能基因的挖掘與利用等多個研究領域奠定了堅實的基礎。由于棉纖維發(fā)育、品質(zhì)相關(guān)基因?qū)儆跀?shù)量性狀遺傳，盡管在棉花纖維發(fā)育與品質(zhì)改良相關(guān)研究取得一系列重要進展，一些與棉纖維發(fā)育相關(guān)的重要基因被挖掘、克隆和鑒定，但大多數(shù)還處于基礎研究階段，離實際應用還有相當長的距離，與廣泛應用的轉(zhuǎn)Bt 基因抗蟲棉相比，棉纖維品質(zhì)遺傳改良和調(diào)控機理等研究還需要更扎實的理論積累和技術(shù)開發(fā)支撐。

隨著全基因組測序的完成和科研技術(shù)的不斷發(fā)展，今后將包括棉纖維發(fā)育與調(diào)控在內(nèi)的棉花功能基因組學、蛋白組學、代謝組學等研究將不斷推向深入。通過棉花功能基因組等多組學研究，可克隆、鑒定出大量控制棉花品質(zhì)等各種性狀關(guān)鍵基因，深入解析其轉(zhuǎn)錄、翻譯、代謝等生物途徑的分子機制，不僅為棉花各性狀改良提供基因資源，還將促進棉花生物學理論的進一步豐富和發(fā)展。而且功能基因組學等多組學研究成果還將使得傳統(tǒng)的作物育種改良上升到定向基因編輯（Genome Editing）乃至分子設計育種的新階段（也稱合成生物學）[82]。

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