上官小霞，曹俊峰，楊琴莉，吳霞

（1.山西農業(yè)大學棉花研究所，山西 運城 044000；2.上海交通大學農業(yè)與生物學院，上海 200241）

棉花是重要的經濟作物，棉纖維是紡織工業(yè)最重要的天然原料。 棉纖維品質由細度、長度、強度、馬克隆值、黃度等多個指標衡量。 隨著植棉機械化進程的推進和紡織行業(yè)的發(fā)展，對棉花纖維品質的要求也越來越高，原有栽培種的品質需要進一步提升。 因此，全面了解棉花纖維發(fā)育的分子機理，對于棉花品質改良和分子設計育種具有十分重要的意義。

1 棉花纖維發(fā)育的生物學基礎

棉纖維是由胚珠外珠被的表皮細胞分化而成。 成熟的纖維呈扁平帶狀，并具有不規(guī)則的扭曲，纖維的橫斷面可以觀察到初生胞壁、次生胞壁、腔壁及中腔4 個部分。 其發(fā)育過程大致可分為相互重疊的起始、伸長、次生壁加厚以及脫水成熟4 個階段[1]。

棉纖維細胞的分化一般在開花前3 d 到開花當天（0 days post anthesis,0 DPA）完成，約有25%～30%的表皮細胞會分化為纖維細胞形成長纖維。短絨細胞的分化一般在5～10 DPA，最終發(fā)育為短纖維。 棉纖維細胞分化和發(fā)育具有均一性和同步性。 5～15 DPA 為棉纖維快速伸長時期，此時棉花對水分和溫度極為敏感，細胞內也存在大量脂肪酸和糖類物質。 纖維細胞的伸長模式一直存在爭議，細胞頂端高濃度的鈣離子、活性氧、膜泡的聚集暗示棉纖維可能為頂端伸長模式，但是纖維細胞中微管橫向定向于生長軸又呈現(xiàn)出擴散伸長模式[2]。 近期的研究通過活體纖維細胞的熒光觀察，認為棉纖維的伸長模式呈現(xiàn)為向頂?shù)臄U散模式[3]。 棉纖維次生壁加厚時期始于15 DPA，這一階段細胞的主要活動是纖維素的合成及沉積。 纖維素的沉積量決定細胞壁的厚度，而原纖維的排列方式決定纖維素的結晶度，兩者構成了纖維強度的結構基礎。 當細胞壁加厚至3～4 μm時，細胞開始脫水凋亡，整個纖維細胞呈扭曲螺旋狀態(tài)。 棉纖維的天然扭曲可增加紡紗時纖維之間的抱合力，提高成紗強度。 成熟的棉纖維含有大約95%的纖維素以及少量的角質、蠟質、蛋白質和無機物等[4]。

2 轉錄因子對棉花纖維發(fā)育的調控

棉花纖維細胞的分化和發(fā)育由高度程序化的復雜的調控網(wǎng)絡所控制，轉錄因子在調控纖維細胞分化及發(fā)育方面起重要作用（表1）。 越來越多的研究表明，棉花纖維細胞分化起始的分子機制與模式植物擬南芥表皮毛的分化機制具有一定的相似性。 擬南芥表皮毛發(fā)育過程中，R2R3 MYB 類轉錄因子GL1、bHLH 類轉錄因子GL3或EGL3 以及WD40 蛋白TTG1 組成1 個MYBbHLH-WD40 蛋白復合體， 通過激活下游的HD-ZIP 類轉錄因子GL2 的表達促進表皮毛的發(fā)育[5-6]。 一組功能冗余的R3 MYB 家族成員如TRY、CPC、ETC1、ETC2、ETC3、TCL1 和TCL2等通過與GL1 競爭結合GL3 蛋白的MYB 結合位點形成失活的蛋白復合體，從而抑制擬南芥表皮毛發(fā)育[7-8]。 棉花中與擬南芥表皮毛發(fā)育關鍵因子的同源基因相繼被克隆和驗證[9-16]。 與GL1 同源的R2R3 MYB 轉錄因子GaMYB2 可以完全互補擬南芥gl1突變體的無表皮毛發(fā)育的表型[9]。 擬南芥gl1突變體中過量表達棉花GhMYB3基因，不僅可以完全互補該突變體表皮毛缺失的表型，還可以在莖稈、花梗、萼片等部位產生較多的異位表皮毛[10]。在棉花中過量表達GhMYB3基因可以顯著促進纖維伸長并增加衣分[10]。GhMYB109基因也編碼1 個R2R3 MYB 轉錄因子，在纖維起始期和快速伸長期高表達；通過RNA 干擾（RNA interference,RNAi）方法降低GhMYB109基因的表達，會使纖維細胞分化延遲、起始數(shù)量減少，表明該基因也參與了對棉纖維細胞起始與發(fā)育的調節(jié)[11]。 GhCPC 為R3 類MYB 因子，與擬南芥R3 MYB 因子CPC 同源性較高，在棉花中過量表達GhCPC基因會抑制纖維的起始和伸長[12]。棉花GhDEL65為GL3的同源基因， 在擬南芥gl3/egl3雙突變體中表達該基因， 可以部分恢復突變體表皮毛的發(fā)育；在野生型擬南芥中過量表達該基因，則可以在蓮座葉、主莖產生過量表皮毛，且部分表皮毛分叉數(shù)顯著增多；棉花轉基因試驗也證明GhDEL65的過量表達可促進纖維細胞的伸長[13]。 棉花中分離到4 個與擬南芥TTG1同源的基因，其中GhTTG1和GhTTG3基因可以完全互補擬南芥ttg1突變體的表型[14]。 酵母雙雜交結果表明棉花GhTTG3、GhMYB2、GhMYB3 均可以與GhDEL65 蛋白相互作用，暗示在棉花體內這些轉錄因子也可能通過蛋白復合體行使功能[13]。 盡管棉纖維的發(fā)育模式遠比擬南芥毛狀體復雜，但在不同的物種間存在基因的保守性及其蛋白結構和生物學功能的相似性，推測棉纖維細胞的分化與擬南芥表皮毛分化具有相似的調控機制[15]。

表1 調控棉花纖維發(fā)育的關鍵轉錄因子Table 1 Key transcription factors in regulating cotton fiber development

陸地棉中包含26 個HD-ZIP IV 家族基因，其中GaHOX1能夠完全互補擬南芥gl2突變體的表皮毛缺失表型[16]，棉花轉基因試驗表明GhHOX3在棉纖維伸長過程中起決定性作用[17]。抑制GhHOX3基因的表達， 棉纖維伸長明顯受到抑制， 純合的RNAi 株系棉花種子呈現(xiàn)光籽表型（僅有短絨）。 GhHOX3 可以與另一個正向調控纖維發(fā)育的HD-ZIP IV 因子GhHD1（即GhHD-1[18]）相互作用[18]，激活下游細胞壁疏松蛋白基因GhRDL1和GhEXPA1的表達進而促進纖維細胞的伸長[17]。 赤霉素（Gibberellic acid,GA）信號途徑的負調控因子GhSLR1 可以同GhHD1 競爭性地與GhHOX3 結合，以阻礙GA 信號傳遞，進而抑制纖維細胞伸長所需要的轉錄激活[17]。GhPRE1基因編碼一個非典型的bHLH 轉錄因子，在棉纖維快速伸長期高表達， 但在GhHOX3基因沉默株系的纖維中表達量明顯降低，暗示該基因為纖

維伸長的一個正調控因子[19]。在四倍體棉花中，對纖維伸長起調控作用的主要為來自At 亞基因組的GhPRE1A基因，而其Dt 亞基因組的同源基因因其啟動子區(qū)域的TATA-box 片段缺失而失去調控活性。棉花中過量表達GhPRE1A基因，成熟纖維的長度比對照明顯增加[19]。

miR319 靶向的TCP 家族基因在擬南芥、楊樹等植物中可以調控次生壁的合成和表皮毛發(fā)育[20-21]，棉花中的研究同樣表明miR319 的靶基因GhTCP4通過抑制纖維細胞伸長和激活次生壁相關基因的表達來促進纖維細胞壁加厚[22]。在棉花纖維發(fā)育的早期階段，miR319 表達量豐富，其靶基因GhTCP4低水平表達，而GhHOX3基因在這個階段發(fā)揮積極作用，促進纖維細胞伸長。 在纖維生長的后期，miR319 的表達量下降，GhTCP4表達量上升，從而促進纖維素的生物合成和次生壁 的 形 成[22]。 因 此，GhHOX3基 因 和miR319 靶向的GhTCP4基因參與調節(jié)棉花纖維從細胞伸長到細胞壁增厚的轉變[22]。GhMYB7被認為是GhTCP4 的直接下游基因， 可通過結合纖維素合成酶基因GhCesA4、GhCesA7、GhCesA8的啟動子調控纖維細胞次生壁加厚[23]。

金魚草中的MIXTA基因和矮牽牛中的PhMYB1基因的主要功能是調節(jié)花瓣乳突細胞的形成，說明MIXTA 類R2R3 MYB 轉錄因子同樣具有調控植物表皮細胞分化的功能[24]。GhMYB25和GhMYB25-like基因編碼MIXTA 類R2R3 MYB 轉錄因子， 通過RNAi 抑制GhMYB25基因的表達，可使棉花纖維分化起始延遲、纖維細胞數(shù)量減少、纖維長度變短，過量表達GhMYB25基因則使葉柄表皮毛數(shù)量和纖維細胞起始數(shù)量明顯增加[25]。GhMYB25-like 與GhMYB25 在蛋白水平上具有69%的相似性， 抑制GhMYB25-like基因的表達，棉纖維發(fā)育被完全抑制，種子呈現(xiàn)無纖維表型，然而植株其他部位的表皮毛發(fā)育未受到明顯影響， 表明GhMYB25-like 是棉纖維細胞起始發(fā)育的一個關鍵調控因子[26]。 對棉花光子突變體N1的圖位克隆找到了一個MIXTA 類轉錄因子基因GhMML3[27]，該基因被證實與GhMYB25-like為同一基因。對無長絨突變體Li3的圖位克隆找到另一個MIXTA 基因GhMML4，利用病毒誘導的基因沉默 （Virus-induced gene silencing,VIGS） 技術對其干擾會顯著減少棉纖維的產生[28]。 綜合這些結果，棉花中的MIXTA 類MYB 轉錄因子已經形成了一個獨特的轉錄調控網(wǎng)絡，決定纖維細胞發(fā)育的命運。

水稻和擬南芥中NAC 類轉錄因子在細胞壁纖維素沉積方面發(fā)揮著重要的調控作用[29-30]。GhFSN1基因編碼一個NAC 類轉錄因子，通過結合GhMYBL1、GhKNL1等次生壁相關基因的啟動子激活其表達進而調控纖維次生壁的形成[31]。通過群體材料的全基因組關聯(lián)分析（Genome wide association study, GWAS）發(fā)現(xiàn)GhMYB46可能也與纖維次生壁的加厚有關[32]。 纖維的伸長使用蔗糖作為直接碳源，GhMYB212 被確認為是纖維伸長過程中蔗糖從胚珠運輸?shù)嚼w維的重要調節(jié)因子。 GhMYB212 通過調控蔗糖轉運基因GhSWEET12的表達促進纖維細胞的發(fā)育[33]。GhWRKY16 是第一個被報道的與棉纖維發(fā)育相關的WRKY 類轉錄因子， 正向調節(jié)纖維的起始和伸長[34]。 與對照相比，GhWRKY16基因沉默的轉基因棉花胚珠上的纖維突起數(shù)量明顯減少、纖維較短。GhWRKY16 可以被GhMPK3-1 蛋白磷酸化，磷酸化的GhWRKY16 直接激活GhMYB25、GhHOX3、GhMYB109和GhCesA6D-D11等纖維發(fā)育關鍵基因的轉錄，調控早期纖維發(fā)育。 因此GhWRKY16 的磷酸化對棉花纖維發(fā)育過程中下游基因的轉錄激活至關重要[34]。

綜上所述，通過同源克隆、圖位克隆和測序等手段挖掘棉花種質資源中的關鍵基因，已鑒定到在棉纖維起始、伸長及細胞壁加厚過程中發(fā)揮重要調控功能的多個轉錄因子，為全面解析棉花纖維發(fā)育的分子調控機制奠定了基礎。

3 功能基因對棉花纖維發(fā)育的調控

棉花纖維細胞的伸長是一個復雜的生理過程，涉及細胞壁的松弛，液泡膨壓變化，膜脂、細胞壁成分和相關蛋白的生物合成及運輸。 在這一過程中，參與細胞骨架組裝、細胞壁松弛以及糖代謝、脂肪酸代謝等過程的基因發(fā)揮了重要作用（表2）。

表2 調控棉花纖維發(fā)育的主要功能基因Table 2 Key functional genes in regulating cotton fiber development

細胞骨架是細胞的內部支撐，細胞骨架及其動態(tài)變化在維持細胞形態(tài)、承受外力、保持細胞內部結構的有序性等方面起重要作用。 一些細胞骨架相關基因， 如微管蛋白基因GhTUA9[35]、GhTUB1[36]等，肌動蛋白基因GhACT1[37]、GhACT17D[38]等，肌動蛋白解聚因子基因GhADF1[39]以及肌動蛋白結合蛋白基因GhPFN2[40]等，在棉纖維伸長過程中起核心作用。GhTUA9、GhTUB1分別編碼一個α-微管蛋白和一個β-微管蛋白，兩者皆在纖維伸長期特異高表達，推測這兩個基因可能在纖維細胞的微管組裝過程中執(zhí)行特殊的功能[35-36]。GhTUA9在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中的過量表達可促進宿主細胞非典型縱向伸長1.4～1.7 倍，表明該基因可參與細胞伸長[35]。 肌動蛋白基因GhACT1主要在纖維細胞的伸長期高表達，干擾該基因表達可導致棉纖維細胞中肌動蛋白微絲的含量顯著降低，其排列方式變得很不規(guī)則，這種微絲骨架系統(tǒng)結構上的紊亂最終導致纖維細胞的伸長生長受阻[37]。 棉花肌動蛋白GhACT17D 中一個氨基酸的替換導致陸地棉Ligon lintless-1（Li1）突變體表型，該氨基酸突變破壞了F 型肌動蛋白的順向延伸，導致細胞骨架紊亂和細胞極性降低[38]。 抑制肌動蛋白解聚因子GhADF1 表達的轉基因棉花纖維長度和強度都有所增加，纖維細胞含有更多的F 型肌動蛋白絲，纖維素含量增加，次生壁也隨之加厚，表明肌動蛋白解聚因子對肌動蛋白骨架系統(tǒng)的組裝調節(jié)對于纖維細胞的伸長和次生壁的合成十分重要[39]。GhPFN2轉基因棉纖維中微絲和微管結構方向的變化抑制了棉纖維的伸長，導致纖維伸長提前終止，超表達GhPFN2材料成熟棉纖維長度較野生型明顯縮短。 GhPFN2能通過促進束狀微絲的形成來影響微絲的結構，從而影響微管排布方向的轉變，進而調控棉纖維從伸長到次生壁加厚的轉換[40]。

棉纖維發(fā)育過程中細胞壁的松弛與纖維細胞的伸長密切相關，與細胞壁松弛相關的延伸蛋白（Expansin）家族成員在這一過程發(fā)揮重要作用。 Expansin 蛋白能夠打斷纖維素微絲間的氫鍵，從而使細胞壁疏松延展。 陸地棉GhEXP1和GhEXP2基因在棉纖維發(fā)育時期特異表達， 推測其對棉纖維發(fā)育具有重要作用[41-42]。 含BURP 結構域的蛋白GhRDL1 能與細胞延伸蛋白GhEXPA1 相互作用參與調節(jié)纖維伸長過程中的細胞壁疏松[43]。 在棉花中過量表達GhRDL1基因，纖維長度和強度明顯增加，同時過表達GhRDL1和GhEXPA1則顯著提高棉花的產量[43]。 在棉花中過量表達GhFLA1基因可促進纖維細胞的伸長，抑制該基因的表達則導致棉花纖維發(fā)育遲緩、長度變短。 轉基因棉花纖維細胞壁組分和單糖（如葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖）的含量與對照相比發(fā)生改變，說明GhFLA1 通過影響細胞壁組分等物質的代謝過程來參與棉纖維細胞發(fā)育[44]。

蔗糖合酶在維持纖維細胞滲透壓方面起重要作用。 與正常纖維材料相比，短纖維突變體中蔗糖合酶在纖維起始后延遲表達，發(fā)育過程中胞間連絲開關的時間調控受到了影響，不能正常關閉胞間連絲，造成突變體纖維伸長緩慢[45]。通過轉基因反義抑制蔗糖合酶基因Sus的表達可以徹底破壞纖維細胞的伸長[46]，而過量表達蔗糖合酶基因GhsusA1則可以促進纖維起始和伸長[47]。MYB 類轉錄因子GhMYB212 可以直接調控糖類轉運蛋白基因GhSWEET12的表達從而影響纖維胞內糖含量，GhSWEET12RNAi 株系棉花纖維長度與對照相比明顯變短[33]。 抑制負責蔗糖運輸?shù)墓檀碱愡\輸?shù)鞍譍hSCP2D 的表達可導致胞間連絲關閉從而使纖維發(fā)育受阻，海島棉的纖維品質優(yōu)于陸地棉也有可能與其蔗糖運輸通道的開放時間較長有關[48]。 棉花中的液泡轉化酶（Vacuolar invertase, VIN） 與纖維細胞的伸長相關。利用RNAi 技術抑制GhVIN1的表達，VIN 活性下降， 棉纖維的起始與發(fā)育受到明顯抑制，表型嚴重的轉基因棉花后代種子呈現(xiàn)無纖維的表型[49]。體外胚珠培養(yǎng)試驗顯示，GhVIN1 介導的己糖信號在纖維發(fā)育起始階段起關鍵作用，可能通過調控MYB 類轉錄因子和生長素信號等行使功能[49]。

脂類代謝基因在棉纖維迅速伸長中也發(fā)揮重要的作用。 長鏈脂肪酸的積累能夠調控乙烯（Ethylene,ET）合成，從而促進纖維伸長[50]。 參與脂類代謝的基因GhCER6在棉纖維細胞伸長期表達量較高，酵母菌株（Saccharomyces cerevisiaeelo3）不能合成26 個碳原子的脂肪酸，生長緩慢，而在該菌株中表達GhCER6基因，可以彌補這一缺陷[51]。 超長鏈脂肪酸（Very long chain fatty acids,VLCFAs） 可以作為信號分子在細胞的生長發(fā)育中發(fā)揮生物學功能[52]。 用外加飽和長鏈、VLCFAs以及VLCFAs 合成抑制劑乙草胺（Acetochlor,ACE）處理體外培養(yǎng)的胚珠，結果表明VLCFAs能顯著促進纖維伸長[52]。

GRAM 結構域在真核生物中高度保守，存在于參與膜相關過程的蛋白質中。GhGRAM31主要在纖維發(fā)育的快速伸長階段表達，參與調控纖維長度。 RNAi 轉基因棉花株系纖維伸長受到抑制，產生較短的成熟纖維。 GhGRAM31 可以與另外兩個GRAM 蛋白GhGRAM5 和GhGRAM35直接相互作用，GhGRAM5 還能與轉錄因子GhTTG1 相互作用， 而GhGRAM35 與轉錄因子GhHOX1 和GhHD1 相互作用[53]。 GRAM 蛋白家族基因可作為棉花分子設計育種的候選基因。

不同棉屬植物， 包括二倍體雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii）、 二 倍 體 亞 洲 棉（G.arboreum）、二倍體草棉（G.herbaceum）、四倍體陸地棉（G.hirsutum）、四倍體海島棉（G.barbadense）的全基因組測序工作的完成，以及棉花基因組重測序和關聯(lián)分析工作的展開，從基因組層面系統(tǒng)揭示了棉屬植物的進化關系及棉花基因組遺傳多樣性產生的原因[54]。 對遺傳材料的測序和深度挖掘使得GhCIP1、GhUCE、GhXIK、GbPDF1、GbTCP、GhF3H等[55-59]一大批與纖維品質相關的候選基因浮出水面，為進一步解析棉花纖維發(fā)育的分子機制及棉纖維品質分子育種提供了重要的參考。

4 植物激素對棉花纖維發(fā)育的調控

植物激素在植物生長發(fā)育的不同階段皆起重要的調控作用，對棉纖維發(fā)育的調控也不例外（表3）。 生長素（Auxin）被認為與棉纖維的起始、伸長有關。 棉纖維中內源生長素在開花前開始積累，2～3 DPA 達到峰值并在纖維細胞伸長期下降， 而體外培養(yǎng)胚珠時外源施加吲哚乙酸（Indoleacetic acid,IAA）會促進纖維分化，增加纖維數(shù)量，且顯著增加纖維長度[60]。利用種皮特異啟動子FBP7驅動生長素合成途徑中的一個重要酶基因iaaM的表達， 在棉花纖維起始期定向且適度地提高胚珠表皮細胞中的生長素濃度，可以明顯促進纖維細胞的分化起始，顯著增高轉基因棉花的衣分， 同時纖維品質也得到了一定的改善[61-62]。 纖維發(fā)育所需的生長素主要在胚珠合成，并由GhPIN3a 運輸至纖維細胞。PIN 家族基因受到抑制后，纖維的起始和伸長均會受到抑制[63]。在生長素信號方面， 生長素響應基因GhARF2和GhARF18在纖維發(fā)育早期高表達[64]，通過纖維特異性啟動子過量表達GhARF2b基因會抑制纖維細胞的伸長，但促進了纖維細胞起始，纖維數(shù)量明顯增加；反之，通過RNAi 下調GhARF2b的表達則導致纖維數(shù)量減少但長度增加。 GhARF2b可直接與GhHOX3 相互作用抑制GhHOX3 的轉錄活性[65]，這些結果表明GhARF2b基因主要調控纖維細胞的起始[65]。

表3 植物激素相關基因在棉纖維發(fā)育中的功能Table 3 Functions of plant hormone-related genes in cotton fiber development

GA 在“綠色革命”中起重要的作用，與植物細胞伸長有著密切關系。 外源施加GA 會顯著促進棉纖維細胞伸長，而使用GA 合成抑制劑處理體外培養(yǎng)的胚珠后，纖維的起始數(shù)量和長度均少于對照[66]。 纖維中的內源GA 含量在其快速生長期（10 DPA）最高，之后快速下降，遺傳試驗表明過量表達GhGA20ox1會使得棉纖維中GA3 和GA4 積累并產生更多的長纖維[67]。 GA 信號途徑調控棉纖維發(fā)育的研究已取得重要進展， 當GA含量較低時， 棉纖維伸長的關鍵因子GhHOX3 與DELLA 蛋白GhSLR1 相互作用； 而當GA 在纖維伸長期積累時，GhSLR1 被泛素化降解，GhHOX3與GhHD1 相互作用激活下游基因GhRDL1和GhEXPA1的表達進而調控纖維伸長[17]。

油菜素內酯（Brassinosteroid, BR）同樣正向調控棉花纖維細胞的發(fā)育。 體外培養(yǎng)胚珠時施加低濃度的BR 會促進纖維發(fā)育， 而施加其生物合成抑制劑蕓薹素唑（Brassinazole,BRZ）則會使纖維發(fā)育受到抑制[68]。 GhDET2 是BR 生物合成的限速酶，當該基因的表達被抑制時，纖維細胞無法正常起始與伸長，而過表達GhDET2基因則得到相反的表型[69]。 GhPAG1 是與擬南芥CYP734A1同源的BR 合成途徑關鍵酶， 棉花pag突變體會產生短纖維表型， 而外源施加BR 則會恢復其表型[70]。 上述遺傳證據(jù)表明BR 的生物合成對纖維的起始和伸長均具有調控作用。 在BR 信號傳導方面， 棉花中克隆的BR 受體基因GhBRI1也在纖維伸長期高表達， 并且可以完全互補擬南芥bri1-5突變體的表型[68,71]。GhBZR1 被鑒定為棉花中響應BR 信號的關鍵轉錄因子，它能和Gh14-3-3L 相互作用并在纖維伸長期結合GhXTH1和GhEXP的啟動子進而促進纖維細胞發(fā)育。Gh14-3-3L單獨過表達也會引起成熟纖維變長，沉默則反之， 而對RNAi 植株外源施加BR 則能夠部分恢復短纖維的表型[72]。

對棉花群體進行GWAS 分析表明ET 合成途徑與棉花纖維的發(fā)育相關聯(lián)[73]。 體外培養(yǎng)胚珠時施加ET 可以促進纖維伸長， 而施加ET 抑制劑則會抑制纖維發(fā)育[50]。 ET 合成的關鍵基因GhACO1-3在纖維快速伸長期（10 DPA）表達量最高， 同時也造成ET 在該階段含量較高， 暗示ET 可能是調控細胞伸長的另一種關鍵激素。 然而，在只有短絨的雷蒙德氏棉中，ACO1和ACO3的表達量也很高， 暗示過量的ET 積累可能造成纖維細胞的提前成熟而無法發(fā)育成長纖維[74]。 因此，在纖維細胞內，適量的ET 才能維持纖維的正常發(fā)育。 值得注意的是ET 可以互補因蕓薹素唑而形成的表型， 而BR 則無法互補因施加乙烯抑制劑而縮短的纖維表型[50]。 這一現(xiàn)象表明ET 除了劑量效應外， 還存在著和其他激素的復雜互作。 胚珠培養(yǎng)體系中外源施加ET 會造成活性氧的積累，表明活性氧誘導的細胞伸長過程可能位于ET 信號轉導途徑的下游[75]。 外源施加VLCFAs能夠促進ET 的合成和纖維發(fā)育， 當VLCFAs 的合成被抑制劑阻斷時纖維發(fā)育受阻，這一效果能夠被再次添加ET 所抵消， 以上結果暗示VLCFAs可能位于ET 信號途徑的上游[52]。

茉莉酸（Jasmonic acid,JA）一般被認為參與植物對生物和非生物脅迫的響應，但也有報道表明其與植物表皮毛的發(fā)育有關[76-77]。 棉花轉錄組數(shù)據(jù)分析暗示JA 的代謝途徑可能與纖維的起始相關[78]。 進一步的遺傳和生化證據(jù)表明，JA 信號途徑的關鍵因子GhJAZ2 可以與GhMYB25-like、GhGL1、GhMYC2、GhWD40 等調控纖維發(fā)育起始的關鍵因子相互作用而抑制棉纖維的起始[79]。因此認為JA 的代謝及信號途徑可能主要在纖維起始階段發(fā)揮作用。

脫落酸（Abscisic acid, ABA）含量在棉纖維體內有兩次峰值， 在纖維發(fā)育起始階段ABA 含量較高并在伸長期下降， 直至細胞脫水成熟階段，ABA 再次積累。 在纖維發(fā)育過程中，短纖維材料的ABA 含量高于長纖維材料， 胚珠中的ABA 含量與短纖維的產量呈正相關， 短絨突變體Li1胚珠中的ABA 含量極高[80]。現(xiàn)有的試驗證據(jù)暗示ABA 可能與纖維的起始和成熟有關。

綜上，在棉纖維生長過程中，IAA、GA、ET、BR、JA 等激素可促進纖維細胞發(fā)育，ABA 則抑制棉花纖維的生長發(fā)育，棉纖維細胞分化發(fā)育的不同階段皆受到多種激素的協(xié)調作用，相關研究結果為研究植物激素對棉花纖維細胞分化和發(fā)育的調控構建了基本框架[54]。隨著分子生物學、基因組學、 棉纖維生理生化等研究的不斷深入，不同植物激素間相互作用調控纖維細胞發(fā)育的作用機制將會越來越清晰。

5 非編碼RNA 與表觀修飾對棉花纖維發(fā)育的影響

越來越多的衛(wèi)星RNA（microRNA,miRNA）被證明在植物發(fā)育過程中起關鍵的調節(jié)作用[81]。對野生型陸地棉和無纖維突變體的胚珠在纖維起始過程中的miRNA 組進行分析比較， 發(fā)現(xiàn)7個與纖維起始有關的miRNAs 在棉花胚珠中表達，這些miRNAs 參與了不同的細胞反應和代謝過程，包括轉錄調節(jié)、IAA 和GA 信號轉導、肌動蛋白束和木質素生物合成等[82]。 深入的測序分析鑒定出78 個在纖維中表達的miRNAs[82]。 對Li-1和Li2突變體及其雜交群體進行測序， 發(fā)現(xiàn)20 個差異表達的miRNAs，其中4 個與纖維長度負相關[83]。抑制miR156/157 的表達，成熟纖維的長度會顯著變短[84]。 過量表達miR319 可以通過抑制GhTCP4基因的表達而促進纖維伸長并得到長而細的優(yōu)質纖維[22]。 在擬南芥gl1突變體中過量表達GhMYB2A而非GhMYB2D可以恢復該突變體表皮毛的發(fā)育。GhMYB2同源基因之間的功能差異由miR828 引導的反式作用RNA（trans-acting RNA,tasiRNA） 所介導，tasiRNA 調節(jié)了擬南芥的葉表皮毛發(fā)育，并可能調節(jié)棉花的纖維發(fā)育[85]。 種間雜交或多倍體化會使四倍體棉花長鏈非編碼RNA（Long non-coding RNAs,lncRNA） 的轉錄本在基因組上重新排列， 而其DNA 甲基化水平也會發(fā)生變化。 種間雜交的DNA 甲基化動態(tài)主要與lncRNA 表達的急劇變化有關。 被激活的lncRNA 主要是從去甲基化的轉座子區(qū)轉錄， 轉座子的分布偏向于lncRNA 位點[86]。 棉花中已有超過35 000 個lncRNAs 被鑒定出來，富含重復序列，并以組織特異性方式優(yōu)先表達[87]。 通過對Xu142 與其無纖維突變體Xu142fl的對比發(fā)現(xiàn)， 在35 000 多個lncRNAs 中，645 個在無纖維突變體Xu142fl中優(yōu)先表達，651 個在Xu142 中優(yōu)先表達。 通過VIGS 技術篩選出了3個負調控纖維起始的lncRNAs， 為lncRNA 在纖維發(fā)育中的潛在功能提供了證據(jù)[88]。

棉花三維基因組的建立表明活躍的染色質修飾及結構變化能夠對基因的表達產生影響[89]。全基因組組蛋白修飾決定了異源多倍體棉花中At 和Dt 亞組同源基因的表達偏向， 為多倍體物種的進化和馴化提供了分子基礎[90]。 組蛋白去乙酰化酶的活性對棉花纖維的正常起始至關重要。GhHAD5基因編碼一個去乙?；福诶w維起始期（－1 DPA 和0 DPA）顯著高表達。 在GhHDA5的RNAi 株系中，GhHD1等纖維發(fā)育相關基因啟動子區(qū)的H3K9 乙?；缴险{，最終導致纖維起始受到抑制、長纖維數(shù)量減少[91]。 DNA 甲基化在纖維細胞分化和發(fā)育中具有潛在作用，體外培養(yǎng)胚珠時施加DNA 甲基化抑制劑可以顯著地減少纖維數(shù)量、 縮短纖維長度[92]。 N6- 甲基腺苷（m6A）RNA 甲基化是最豐富和廣泛的mRNA 修飾，在擬南芥中一個識別m6A 的ECT2 蛋白被鑒定為與表皮毛的分枝有關，ect2突變體表現(xiàn)為表皮毛分枝增多而畸形。 進一步的測序分析表明m6A 在TTG1等表皮毛發(fā)育相關的mRNA 上富集， 通過ECT2 的識別而增強了mRNA 的穩(wěn)定性，使得表皮毛正常發(fā)育[93-94]。 棉花纖維的發(fā)育與擬南芥表皮毛的發(fā)育具有相似的途徑，暗示m6A等RNA 表觀修飾也可能參與棉纖維發(fā)育過程。

6 展望

棉花是我國重要的經濟作物，也是“一帶一路”倡議沿線國重要的農作物，是我國農業(yè)“走出去”戰(zhàn)略的重要組成部分，這對棉花的品質提出了更高的要求。 棉纖維發(fā)育機理的研究對纖維品質改良和分子設計育種具有重要意義。

測序技術的發(fā)展使得棉屬各物種的進化關系、基因組結構相繼被揭示[53,95-96]，對各栽培品種全基因組的重測序也發(fā)現(xiàn)了一系列纖維品質性狀馴化的位點[57,59,73,97]，極大地促進了棉纖維發(fā)育相關基因的鑒定以及基因區(qū)間內轉錄調控單元和活躍表達的轉座元件的研究。 棉屬擁有豐富的種質資源，基因組學仍是研究棉屬植物基因的表達與調控以及功能演化最為有效的方法。 棉花的遺傳轉化受受體等因素的制約，是分子設計育種的一大障礙。 基因編輯技術的出現(xiàn)為棉花品質改良和基因功能研究提供了良好的工具[98]。 規(guī)律間隔成簇短回文重復序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）技術[99-100]的發(fā)展使基因編輯植物的獲得解除了對受體的依賴，在基因靶點通過替換、增強子增強表達等技術[101]，防止了無關外源基因的導入，為作物改良提供了新的方法。 新的生物技術在棉花遺傳育種和基因功能研究上的應用將會大力推進對棉纖維發(fā)育分子機制的研究和棉花生物育種進程。