上官小霞，曹俊峰，楊琴莉，吳霞

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000；2.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200241）

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉纖維是紡織工業(yè)最重要的天然原料。 棉纖維品質(zhì)由細(xì)度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度、馬克隆值、黃度等多個(gè)指標(biāo)衡量。 隨著植棉機(jī)械化進(jìn)程的推進(jìn)和紡織行業(yè)的發(fā)展，對(duì)棉花纖維品質(zhì)的要求也越來越高，原有栽培種的品質(zhì)需要進(jìn)一步提升。 因此，全面了解棉花纖維發(fā)育的分子機(jī)理，對(duì)于棉花品質(zhì)改良和分子設(shè)計(jì)育種具有十分重要的意義。

1 棉花纖維發(fā)育的生物學(xué)基礎(chǔ)

棉纖維是由胚珠外珠被的表皮細(xì)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(gè)部分。 其發(fā)育過程大致可分為相互重疊的起始、伸長(zhǎng)、次生壁加厚以及脫水成熟4 個(gè)階段[1]。

棉纖維細(xì)胞的分化一般在開花前3 d 到開花當(dāng)天（0 days post anthesis,0 DPA）完成，約有25%～30%的表皮細(xì)胞會(huì)分化為纖維細(xì)胞形成長(zhǎng)纖維。短絨細(xì)胞的分化一般在5～10 DPA，最終發(fā)育為短纖維。 棉纖維細(xì)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(zhǎng)時(shí)期，此時(shí)棉花對(duì)水分和溫度極為敏感，細(xì)胞內(nèi)也存在大量脂肪酸和糖類物質(zhì)。 纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)模式一直存在爭(zhēng)議，細(xì)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(zhǎng)模式，但是纖維細(xì)胞中微管橫向定向于生長(zhǎng)軸又呈現(xiàn)出擴(kuò)散伸長(zhǎng)模式[2]。 近期的研究通過活體纖維細(xì)胞的熒光觀察，認(rèn)為棉纖維的伸長(zhǎng)模式呈現(xiàn)為向頂?shù)臄U(kuò)散模式[3]。 棉纖維次生壁加厚時(shí)期始于15 DPA，這一階段細(xì)胞的主要活動(dòng)是纖維素的合成及沉積。 纖維素的沉積量決定細(xì)胞壁的厚度，而原纖維的排列方式?jīng)Q定纖維素的結(jié)晶度，兩者構(gòu)成了纖維強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 當(dāng)細(xì)胞壁加厚至3～4 μm時(shí)，細(xì)胞開始脫水凋亡，整個(gè)纖維細(xì)胞呈扭曲螺旋狀態(tài)。 棉纖維的天然扭曲可增加紡紗時(shí)纖維之間的抱合力，提高成紗強(qiáng)度。 成熟的棉纖維含有大約95%的纖維素以及少量的角質(zhì)、蠟質(zhì)、蛋白質(zhì)和無機(jī)物等[4]。

2 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)棉花纖維發(fā)育的調(diào)控

棉花纖維細(xì)胞的分化和發(fā)育由高度程序化的復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)所控制，轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控纖維細(xì)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(xì)胞分化起始的分子機(jī)制與模式植物擬南芥表皮毛的分化機(jī)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(zhuǎn)錄因子GL1、bHLH 類轉(zhuǎn)錄因子GL3或EGL3 以及WD40 蛋白TTG1 組成1 個(gè)MYBbHLH-WD40 蛋白復(fù)合體， 通過激活下游的HD-ZIP 類轉(zhuǎn)錄因子GL2 的表達(dá)促進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)結(jié)合GL3 蛋白的MYB 結(jié)合位點(diǎn)形成失活的蛋白復(fù)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(guān)鍵因子的同源基因相繼被克隆和驗(yàn)證[9-16]。 與GL1 同源的R2R3 MYB 轉(zhuǎn)錄因子GaMYB2 可以完全互補(bǔ)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(dá)棉花GhMYB3基因，不僅可以完全互補(bǔ)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(chǎn)生較多的異位表皮毛[10]。在棉花中過量表達(dá)GhMYB3基因可以顯著促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)并增加衣分[10]。GhMYB109基因也編碼1 個(gè)R2R3 MYB 轉(zhuǎn)錄因子，在纖維起始期和快速伸長(zhǎng)期高表達(dá)；通過RNA 干擾（RNA interference,RNAi）方法降低GhMYB109基因的表達(dá)，會(huì)使纖維細(xì)胞分化延遲、起始數(shù)量減少，表明該基因也參與了對(duì)棉纖維細(xì)胞起始與發(fā)育的調(diào)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(dá)GhCPC基因會(huì)抑制纖維的起始和伸長(zhǎng)[12]。棉花GhDEL65為GL3的同源基因， 在擬南芥gl3/egl3雙突變體中表達(dá)該基因， 可以部分恢復(fù)突變體表皮毛的發(fā)育；在野生型擬南芥中過量表達(dá)該基因，則可以在蓮座葉、主莖產(chǎn)生過量表皮毛，且部分表皮毛分叉數(shù)顯著增多；棉花轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)也證明GhDEL65的過量表達(dá)可促進(jìn)纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)[13]。 棉花中分離到4 個(gè)與擬南芥TTG1同源的基因，其中GhTTG1和GhTTG3基因可以完全互補(bǔ)擬南芥ttg1突變體的表型[14]。 酵母雙雜交結(jié)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(nèi)這些轉(zhuǎn)錄因子也可能通過蛋白復(fù)合體行使功能[13]。 盡管棉纖維的發(fā)育模式遠(yuǎn)比擬南芥毛狀體復(fù)雜，但在不同的物種間存在基因的保守性及其蛋白結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的相似性，推測(cè)棉纖維細(xì)胞的分化與擬南芥表皮毛分化具有相似的調(diào)控機(jī)制[15]。

表1 調(diào)控棉花纖維發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Table 1 Key transcription factors in regulating cotton fiber development

陸地棉中包含26 個(gè)HD-ZIP IV 家族基因，其中GaHOX1能夠完全互補(bǔ)擬南芥gl2突變體的表皮毛缺失表型[16]，棉花轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)表明GhHOX3在棉纖維伸長(zhǎng)過程中起決定性作用[17]。抑制GhHOX3基因的表達(dá)， 棉纖維伸長(zhǎng)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(gè)正向調(diào)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(xì)胞壁疏松蛋白基因GhRDL1和GhEXPA1的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)[17]。 赤霉素（Gibberellic acid,GA）信號(hào)途徑的負(fù)調(diào)控因子GhSLR1 可以同GhHD1 競(jìng)爭(zhēng)性地與GhHOX3 結(jié)合，以阻礙GA 信號(hào)傳遞，進(jìn)而抑制纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)所需要的轉(zhuǎn)錄激活[17]。GhPRE1基因編碼一個(gè)非典型的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，在棉纖維快速伸長(zhǎng)期高表達(dá)， 但在GhHOX3基因沉默株系的纖維中表達(dá)量明顯降低，暗示該基因?yàn)槔w

維伸長(zhǎng)的一個(gè)正調(diào)控因子[19]。在四倍體棉花中，對(duì)纖維伸長(zhǎng)起調(diào)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(dòng)子區(qū)域的TATA-box 片段缺失而失去調(diào)控活性。棉花中過量表達(dá)GhPRE1A基因，成熟纖維的長(zhǎng)度比對(duì)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(diào)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(xì)胞伸長(zhǎng)和激活次生壁相關(guān)基因的表達(dá)來促進(jìn)纖維細(xì)胞壁加厚[22]。在棉花纖維發(fā)育的早期階段，miR319 表達(dá)量豐富，其靶基因GhTCP4低水平表達(dá)，而GhHOX3基因在這個(gè)階段發(fā)揮積極作用，促進(jìn)纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)。 在纖維生長(zhǎng)的后期，miR319 的表達(dá)量下降，GhTCP4表達(dá)量上升，從而促進(jìn)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(diào)節(jié)棉花纖維從細(xì)胞伸長(zhǎng)到細(xì)胞壁增厚的轉(zhuǎn)變[22]。GhMYB7被認(rèn)為是GhTCP4 的直接下游基因， 可通過結(jié)合纖維素合成酶基因GhCesA4、GhCesA7、GhCesA8的啟動(dòng)子調(diào)控纖維細(xì)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(diào)節(jié)花瓣乳突細(xì)胞的形成，說明MIXTA 類R2R3 MYB 轉(zhuǎn)錄因子同樣具有調(diào)控植物表皮細(xì)胞分化的功能[24]。GhMYB25和GhMYB25-like基因編碼MIXTA 類R2R3 MYB 轉(zhuǎn)錄因子， 通過RNAi 抑制GhMYB25基因的表達(dá)，可使棉花纖維分化起始延遲、纖維細(xì)胞數(shù)量減少、纖維長(zhǎng)度變短，過量表達(dá)GhMYB25基因則使葉柄表皮毛數(shù)量和纖維細(xì)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(dá)，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(xì)胞起始發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子[26]。 對(duì)棉花光子突變體N1的圖位克隆找到了一個(gè)MIXTA 類轉(zhuǎn)錄因子基因GhMML3[27]，該基因被證實(shí)與GhMYB25-like為同一基因。對(duì)無長(zhǎng)絨突變體Li3的圖位克隆找到另一個(gè)MIXTA 基因GhMML4，利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默 （Virus-induced gene silencing,VIGS） 技術(shù)對(duì)其干擾會(huì)顯著減少棉纖維的產(chǎn)生[28]。 綜合這些結(jié)果，棉花中的MIXTA 類MYB 轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)形成了一個(gè)獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，決定纖維細(xì)胞發(fā)育的命運(yùn)。

水稻和擬南芥中NAC 類轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞壁纖維素沉積方面發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[29-30]。GhFSN1基因編碼一個(gè)NAC 類轉(zhuǎn)錄因子，通過結(jié)合GhMYBL1、GhKNL1等次生壁相關(guān)基因的啟動(dòng)子激活其表達(dá)進(jìn)而調(diào)控纖維次生壁的形成[31]。通過群體材料的全基因組關(guān)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(guān)[32]。 纖維的伸長(zhǎng)使用蔗糖作為直接碳源，GhMYB212 被確認(rèn)為是纖維伸長(zhǎng)過程中蔗糖從胚珠運(yùn)輸?shù)嚼w維的重要調(diào)節(jié)因子。 GhMYB212 通過調(diào)控蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因GhSWEET12的表達(dá)促進(jìn)纖維細(xì)胞的發(fā)育[33]。GhWRKY16 是第一個(gè)被報(bào)道的與棉纖維發(fā)育相關(guān)的WRKY 類轉(zhuǎn)錄因子， 正向調(diào)節(jié)纖維的起始和伸長(zhǎng)[34]。 與對(duì)照相比，GhWRKY16基因沉默的轉(zhuǎn)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(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控早期纖維發(fā)育。 因此GhWRKY16 的磷酸化對(duì)棉花纖維發(fā)育過程中下游基因的轉(zhuǎn)錄激活至關(guān)重要[34]。

綜上所述，通過同源克隆、圖位克隆和測(cè)序等手段挖掘棉花種質(zhì)資源中的關(guān)鍵基因，已鑒定到在棉纖維起始、伸長(zhǎng)及細(xì)胞壁加厚過程中發(fā)揮重要調(diào)控功能的多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，為全面解析棉花纖維發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

3 功能基因?qū)γ藁ɡw維發(fā)育的調(diào)控

棉花纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，涉及細(xì)胞壁的松弛，液泡膨壓變化，膜脂、細(xì)胞壁成分和相關(guān)蛋白的生物合成及運(yùn)輸。 在這一過程中，參與細(xì)胞骨架組裝、細(xì)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(diào)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(xì)胞骨架是細(xì)胞的內(nèi)部支撐，細(xì)胞骨架及其動(dòng)態(tài)變化在維持細(xì)胞形態(tài)、承受外力、保持細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性等方面起重要作用。 一些細(xì)胞骨架相關(guān)基因， 如微管蛋白基因GhTUA9[35]、GhTUB1[36]等，肌動(dòng)蛋白基因GhACT1[37]、GhACT17D[38]等，肌動(dòng)蛋白解聚因子基因GhADF1[39]以及肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白基因GhPFN2[40]等，在棉纖維伸長(zhǎng)過程中起核心作用。GhTUA9、GhTUB1分別編碼一個(gè)α-微管蛋白和一個(gè)β-微管蛋白，兩者皆在纖維伸長(zhǎng)期特異高表達(dá)，推測(cè)這兩個(gè)基因可能在纖維細(xì)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(dá)可促進(jìn)宿主細(xì)胞非典型縱向伸長(zhǎng)1.4～1.7 倍，表明該基因可參與細(xì)胞伸長(zhǎng)[35]。 肌動(dòng)蛋白基因GhACT1主要在纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)期高表達(dá)，干擾該基因表達(dá)可導(dǎo)致棉纖維細(xì)胞中肌動(dòng)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(jié)構(gòu)上的紊亂最終導(dǎo)致纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受阻[37]。 棉花肌動(dòng)蛋白GhACT17D 中一個(gè)氨基酸的替換導(dǎo)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(dòng)蛋白的順向延伸，導(dǎo)致細(xì)胞骨架紊亂和細(xì)胞極性降低[38]。 抑制肌動(dòng)蛋白解聚因子GhADF1 表達(dá)的轉(zhuǎn)基因棉花纖維長(zhǎng)度和強(qiáng)度都有所增加，纖維細(xì)胞含有更多的F 型肌動(dòng)蛋白絲，纖維素含量增加，次生壁也隨之加厚，表明肌動(dòng)蛋白解聚因子對(duì)肌動(dòng)蛋白骨架系統(tǒng)的組裝調(diào)節(jié)對(duì)于纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)和次生壁的合成十分重要[39]。GhPFN2轉(zhuǎn)基因棉纖維中微絲和微管結(jié)構(gòu)方向的變化抑制了棉纖維的伸長(zhǎng)，導(dǎo)致纖維伸長(zhǎng)提前終止，超表達(dá)GhPFN2材料成熟棉纖維長(zhǎng)度較野生型明顯縮短。 GhPFN2能通過促進(jìn)束狀微絲的形成來影響微絲的結(jié)構(gòu)，從而影響微管排布方向的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而調(diào)控棉纖維從伸長(zhǎng)到次生壁加厚的轉(zhuǎn)換[40]。

棉纖維發(fā)育過程中細(xì)胞壁的松弛與纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)密切相關(guān)，與細(xì)胞壁松弛相關(guān)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(xì)胞壁疏松延展。 陸地棉GhEXP1和GhEXP2基因在棉纖維發(fā)育時(shí)期特異表達(dá)， 推測(cè)其對(duì)棉纖維發(fā)育具有重要作用[41-42]。 含BURP 結(jié)構(gòu)域的蛋白GhRDL1 能與細(xì)胞延伸蛋白GhEXPA1 相互作用參與調(diào)節(jié)纖維伸長(zhǎng)過程中的細(xì)胞壁疏松[43]。 在棉花中過量表達(dá)GhRDL1基因，纖維長(zhǎng)度和強(qiáng)度明顯增加，同時(shí)過表達(dá)GhRDL1和GhEXPA1則顯著提高棉花的產(chǎn)量[43]。 在棉花中過量表達(dá)GhFLA1基因可促進(jìn)纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)，抑制該基因的表達(dá)則導(dǎo)致棉花纖維發(fā)育遲緩、長(zhǎng)度變短。 轉(zhuǎn)基因棉花纖維細(xì)胞壁組分和單糖（如葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖）的含量與對(duì)照相比發(fā)生改變，說明GhFLA1 通過影響細(xì)胞壁組分等物質(zhì)的代謝過程來參與棉纖維細(xì)胞發(fā)育[44]。

蔗糖合酶在維持纖維細(xì)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(dá)，發(fā)育過程中胞間連絲開關(guān)的時(shí)間調(diào)控受到了影響，不能正常關(guān)閉胞間連絲，造成突變體纖維伸長(zhǎng)緩慢[45]。通過轉(zhuǎn)基因反義抑制蔗糖合酶基因Sus的表達(dá)可以徹底破壞纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)[46]，而過量表達(dá)蔗糖合酶基因GhsusA1則可以促進(jìn)纖維起始和伸長(zhǎng)[47]。MYB 類轉(zhuǎn)錄因子GhMYB212 可以直接調(diào)控糖類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因GhSWEET12的表達(dá)從而影響纖維胞內(nèi)糖含量，GhSWEET12RNAi 株系棉花纖維長(zhǎng)度與對(duì)照相比明顯變短[33]。 抑制負(fù)責(zé)蔗糖運(yùn)輸?shù)墓檀碱愡\(yùn)輸?shù)鞍譍hSCP2D 的表達(dá)可導(dǎo)致胞間連絲關(guān)閉從而使纖維發(fā)育受阻，海島棉的纖維品質(zhì)優(yōu)于陸地棉也有可能與其蔗糖運(yùn)輸通道的開放時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)[48]。 棉花中的液泡轉(zhuǎn)化酶（Vacuolar invertase, VIN） 與纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)相關(guān)。利用RNAi 技術(shù)抑制GhVIN1的表達(dá)，VIN 活性下降， 棉纖維的起始與發(fā)育受到明顯抑制，表型嚴(yán)重的轉(zhuǎn)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(yàn)顯示，GhVIN1 介導(dǎo)的己糖信號(hào)在纖維發(fā)育起始階段起關(guān)鍵作用，可能通過調(diào)控MYB 類轉(zhuǎn)錄因子和生長(zhǎng)素信號(hào)等行使功能[49]。

脂類代謝基因在棉纖維迅速伸長(zhǎng)中也發(fā)揮重要的作用。 長(zhǎng)鏈脂肪酸的積累能夠調(diào)控乙烯（Ethylene,ET）合成，從而促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)[50]。 參與脂類代謝的基因GhCER6在棉纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)期表達(dá)量較高，酵母菌株（Saccharomyces cerevisiaeelo3）不能合成26 個(gè)碳原子的脂肪酸，生長(zhǎng)緩慢，而在該菌株中表達(dá)GhCER6基因，可以彌補(bǔ)這一缺陷[51]。 超長(zhǎng)鏈脂肪酸（Very long chain fatty acids,VLCFAs） 可以作為信號(hào)分子在細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮生物學(xué)功能[52]。 用外加飽和長(zhǎng)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(jié)果表明VLCFAs能顯著促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)[52]。

GRAM 結(jié)構(gòu)域在真核生物中高度保守，存在于參與膜相關(guān)過程的蛋白質(zhì)中。GhGRAM31主要在纖維發(fā)育的快速伸長(zhǎng)階段表達(dá)，參與調(diào)控纖維長(zhǎng)度。 RNAi 轉(zhuǎn)基因棉花株系纖維伸長(zhǎng)受到抑制，產(chǎn)生較短的成熟纖維。 GhGRAM31 可以與另外兩個(gè)GRAM 蛋白GhGRAM5 和GhGRAM35直接相互作用，GhGRAM5 還能與轉(zhuǎn)錄因子GhTTG1 相互作用， 而GhGRAM35 與轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(cè)序工作的完成，以及棉花基因組重測(cè)序和關(guān)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(jìn)化關(guān)系及棉花基因組遺傳多樣性產(chǎn)生的原因[54]。 對(duì)遺傳材料的測(cè)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(zhì)相關(guān)的候選基因浮出水面，為進(jìn)一步解析棉花纖維發(fā)育的分子機(jī)制及棉纖維品質(zhì)分子育種提供了重要的參考。

4 植物激素對(duì)棉花纖維發(fā)育的調(diào)控

植物激素在植物生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段皆起重要的調(diào)控作用，對(duì)棉纖維發(fā)育的調(diào)控也不例外（表3）。 生長(zhǎng)素（Auxin）被認(rèn)為與棉纖維的起始、伸長(zhǎng)有關(guān)。 棉纖維中內(nèi)源生長(zhǎng)素在開花前開始積累，2～3 DPA 達(dá)到峰值并在纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)期下降， 而體外培養(yǎng)胚珠時(shí)外源施加吲哚乙酸（Indoleacetic acid,IAA）會(huì)促進(jìn)纖維分化，增加纖維數(shù)量，且顯著增加纖維長(zhǎng)度[60]。利用種皮特異啟動(dòng)子FBP7驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)素合成途徑中的一個(gè)重要酶基因iaaM的表達(dá)， 在棉花纖維起始期定向且適度地提高胚珠表皮細(xì)胞中的生長(zhǎng)素濃度，可以明顯促進(jìn)纖維細(xì)胞的分化起始，顯著增高轉(zhuǎn)基因棉花的衣分， 同時(shí)纖維品質(zhì)也得到了一定的改善[61-62]。 纖維發(fā)育所需的生長(zhǎng)素主要在胚珠合成，并由GhPIN3a 運(yùn)輸至纖維細(xì)胞。PIN 家族基因受到抑制后，纖維的起始和伸長(zhǎng)均會(huì)受到抑制[63]。在生長(zhǎng)素信號(hào)方面， 生長(zhǎng)素響應(yīng)基因GhARF2和GhARF18在纖維發(fā)育早期高表達(dá)[64]，通過纖維特異性啟動(dòng)子過量表達(dá)GhARF2b基因會(huì)抑制纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)，但促進(jìn)了纖維細(xì)胞起始，纖維數(shù)量明顯增加；反之，通過RNAi 下調(diào)GhARF2b的表達(dá)則導(dǎo)致纖維數(shù)量減少但長(zhǎng)度增加。 GhARF2b可直接與GhHOX3 相互作用抑制GhHOX3 的轉(zhuǎn)錄活性[65]，這些結(jié)果表明GhARF2b基因主要調(diào)控纖維細(xì)胞的起始[65]。

表3 植物激素相關(guān)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(xì)胞伸長(zhǎng)有著密切關(guān)系。 外源施加GA 會(huì)顯著促進(jìn)棉纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)，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(zhǎng)度均少于對(duì)照[66]。 纖維中的內(nèi)源GA 含量在其快速生長(zhǎng)期（10 DPA）最高，之后快速下降，遺傳試驗(yàn)表明過量表達(dá)GhGA20ox1會(huì)使得棉纖維中GA3 和GA4 積累并產(chǎn)生更多的長(zhǎng)纖維[67]。 GA 信號(hào)途徑調(diào)控棉纖維發(fā)育的研究已取得重要進(jìn)展， 當(dāng)GA含量較低時(shí)， 棉纖維伸長(zhǎng)的關(guān)鍵因子GhHOX3 與DELLA 蛋白GhSLR1 相互作用； 而當(dāng)GA 在纖維伸長(zhǎng)期積累時(shí)，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(dá)進(jìn)而調(diào)控纖維伸長(zhǎng)[17]。

油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroid, BR）同樣正向調(diào)控棉花纖維細(xì)胞的發(fā)育。 體外培養(yǎng)胚珠時(shí)施加低濃度的BR 會(huì)促進(jìn)纖維發(fā)育， 而施加其生物合成抑制劑蕓薹素唑（Brassinazole,BRZ）則會(huì)使纖維發(fā)育受到抑制[68]。 GhDET2 是BR 生物合成的限速酶，當(dāng)該基因的表達(dá)被抑制時(shí)，纖維細(xì)胞無法正常起始與伸長(zhǎng)，而過表達(dá)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(guān)鍵酶， 棉花pag突變體會(huì)產(chǎn)生短纖維表型， 而外源施加BR 則會(huì)恢復(fù)其表型[70]。 上述遺傳證據(jù)表明BR 的生物合成對(duì)纖維的起始和伸長(zhǎng)均具有調(diào)控作用。 在BR 信號(hào)傳導(dǎo)方面， 棉花中克隆的BR 受體基因GhBRI1也在纖維伸長(zhǎng)期高表達(dá)， 并且可以完全互補(bǔ)擬南芥bri1-5突變體的表型[68,71]。GhBZR1 被鑒定為棉花中響應(yīng)BR 信號(hào)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，它能和Gh14-3-3L 相互作用并在纖維伸長(zhǎng)期結(jié)合GhXTH1和GhEXP的啟動(dòng)子進(jìn)而促進(jìn)纖維細(xì)胞發(fā)育。Gh14-3-3L單獨(dú)過表達(dá)也會(huì)引起成熟纖維變長(zhǎng)，沉默則反之， 而對(duì)RNAi 植株外源施加BR 則能夠部分恢復(fù)短纖維的表型[72]。

對(duì)棉花群體進(jìn)行GWAS 分析表明ET 合成途徑與棉花纖維的發(fā)育相關(guān)聯(lián)[73]。 體外培養(yǎng)胚珠時(shí)施加ET 可以促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)， 而施加ET 抑制劑則會(huì)抑制纖維發(fā)育[50]。 ET 合成的關(guān)鍵基因GhACO1-3在纖維快速伸長(zhǎng)期（10 DPA）表達(dá)量最高， 同時(shí)也造成ET 在該階段含量較高， 暗示ET 可能是調(diào)控細(xì)胞伸長(zhǎng)的另一種關(guān)鍵激素。 然而，在只有短絨的雷蒙德氏棉中，ACO1和ACO3的表達(dá)量也很高， 暗示過量的ET 積累可能造成纖維細(xì)胞的提前成熟而無法發(fā)育成長(zhǎng)纖維[74]。 因此，在纖維細(xì)胞內(nèi)，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(bǔ)因蕓薹素唑而形成的表型， 而BR 則無法互補(bǔ)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(yīng)外， 還存在著和其他激素的復(fù)雜互作。 胚珠培養(yǎng)體系中外源施加ET 會(huì)造成活性氧的積累，表明活性氧誘導(dǎo)的細(xì)胞伸長(zhǎng)過程可能位于ET 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的下游[75]。 外源施加VLCFAs能夠促進(jìn)ET 的合成和纖維發(fā)育， 當(dāng)VLCFAs 的合成被抑制劑阻斷時(shí)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(jié)果暗示VLCFAs可能位于ET 信號(hào)途徑的上游[52]。

茉莉酸（Jasmonic acid,JA）一般被認(rèn)為參與植物對(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)，但也有報(bào)道表明其與植物表皮毛的發(fā)育有關(guān)[76-77]。 棉花轉(zhuǎn)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(guān)[78]。 進(jìn)一步的遺傳和生化證據(jù)表明，JA 信號(hào)途徑的關(guān)鍵因子GhJAZ2 可以與GhMYB25-like、GhGL1、GhMYC2、GhWD40 等調(diào)控纖維發(fā)育起始的關(guān)鍵因子相互作用而抑制棉纖維的起始[79]。因此認(rèn)為JA 的代謝及信號(hào)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(nèi)有兩次峰值， 在纖維發(fā)育起始階段ABA 含量較高并在伸長(zhǎng)期下降， 直至細(xì)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(zhǎng)纖維材料， 胚珠中的ABA 含量與短纖維的產(chǎn)量呈正相關(guān)， 短絨突變體Li1胚珠中的ABA 含量極高[80]?，F(xiàn)有的試驗(yàn)證據(jù)暗示ABA 可能與纖維的起始和成熟有關(guān)。

綜上，在棉纖維生長(zhǎng)過程中，IAA、GA、ET、BR、JA 等激素可促進(jìn)纖維細(xì)胞發(fā)育，ABA 則抑制棉花纖維的生長(zhǎng)發(fā)育，棉纖維細(xì)胞分化發(fā)育的不同階段皆受到多種激素的協(xié)調(diào)作用，相關(guān)研究結(jié)果為研究植物激素對(duì)棉花纖維細(xì)胞分化和發(fā)育的調(diào)控構(gòu)建了基本框架[54]。隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)、 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(diào)控纖維細(xì)胞發(fā)育的作用機(jī)制將會(huì)越來越清晰。

5 非編碼RNA 與表觀修飾對(duì)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(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用[81]。對(duì)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(jìn)行分析比較， 發(fā)現(xiàn)7個(gè)與纖維起始有關(guān)的miRNAs 在棉花胚珠中表達(dá)，這些miRNAs 參與了不同的細(xì)胞反應(yīng)和代謝過程，包括轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、IAA 和GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、肌動(dòng)蛋白束和木質(zhì)素生物合成等[82]。 深入的測(cè)序分析鑒定出78 個(gè)在纖維中表達(dá)的miRNAs[82]。 對(duì)Li-1和Li2突變體及其雜交群體進(jìn)行測(cè)序， 發(fā)現(xiàn)20 個(gè)差異表達(dá)的miRNAs，其中4 個(gè)與纖維長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)[83]。抑制miR156/157 的表達(dá)，成熟纖維的長(zhǎng)度會(huì)顯著變短[84]。 過量表達(dá)miR319 可以通過抑制GhTCP4基因的表達(dá)而促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)并得到長(zhǎng)而細(xì)的優(yōu)質(zhì)纖維[22]。 在擬南芥gl1突變體中過量表達(dá)GhMYB2A而非GhMYB2D可以恢復(fù)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(dǎo)的反式作用RNA（trans-acting RNA,tasiRNA） 所介導(dǎo)，tasiRNA 調(diào)節(jié)了擬南芥的葉表皮毛發(fā)育，并可能調(diào)節(jié)棉花的纖維發(fā)育[85]。 種間雜交或多倍體化會(huì)使四倍體棉花長(zhǎng)鏈非編碼RNA（Long non-coding RNAs,lncRNA） 的轉(zhuǎn)錄本在基因組上重新排列， 而其DNA 甲基化水平也會(huì)發(fā)生變化。 種間雜交的DNA 甲基化動(dòng)態(tài)主要與lncRNA 表達(dá)的急劇變化有關(guān)。 被激活的lncRNA 主要是從去甲基化的轉(zhuǎn)座子區(qū)轉(zhuǎn)錄， 轉(zhuǎn)座子的分布偏向于lncRNA 位點(diǎn)[86]。 棉花中已有超過35 000 個(gè)lncRNAs 被鑒定出來，富含重復(fù)序列，并以組織特異性方式優(yōu)先表達(dá)[87]。 通過對(duì)Xu142 與其無纖維突變體Xu142fl的對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 在35 000 多個(gè)lncRNAs 中，645 個(gè)在無纖維突變體Xu142fl中優(yōu)先表達(dá)，651 個(gè)在Xu142 中優(yōu)先表達(dá)。 通過VIGS 技術(shù)篩選出了3個(gè)負(fù)調(diào)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(zhì)修飾及結(jié)構(gòu)變化能夠?qū)虻谋磉_(dá)產(chǎn)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(dá)偏向， 為多倍體物種的進(jìn)化和馴化提供了分子基礎(chǔ)[90]。 組蛋白去乙?；傅幕钚詫?duì)棉花纖維的正常起始至關(guān)重要。GhHAD5基因編碼一個(gè)去乙酰化酶，在纖維起始期（－1 DPA 和0 DPA）顯著高表達(dá)。 在GhHDA5的RNAi 株系中，GhHD1等纖維發(fā)育相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)的H3K9 乙?；缴险{(diào)，最終導(dǎo)致纖維起始受到抑制、長(zhǎng)纖維數(shù)量減少[91]。 DNA 甲基化在纖維細(xì)胞分化和發(fā)育中具有潛在作用，體外培養(yǎng)胚珠時(shí)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(zhǎng)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(gè)識(shí)別m6A 的ECT2 蛋白被鑒定為與表皮毛的分枝有關(guān)，ect2突變體表現(xiàn)為表皮毛分枝增多而畸形。 進(jìn)一步的測(cè)序分析表明m6A 在TTG1等表皮毛發(fā)育相關(guān)的mRNA 上富集， 通過ECT2 的識(shí)別而增強(qiáng)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(jīng)濟(jì)作物，也是“一帶一路”倡議沿線國重要的農(nóng)作物，是我國農(nóng)業(yè)“走出去”戰(zhàn)略的重要組成部分，這對(duì)棉花的品質(zhì)提出了更高的要求。 棉纖維發(fā)育機(jī)理的研究對(duì)纖維品質(zhì)改良和分子設(shè)計(jì)育種具有重要意義。

測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使得棉屬各物種的進(jìn)化關(guān)系、基因組結(jié)構(gòu)相繼被揭示[53,95-96]，對(duì)各栽培品種全基因組的重測(cè)序也發(fā)現(xiàn)了一系列纖維品質(zhì)性狀馴化的位點(diǎn)[57,59,73,97]，極大地促進(jìn)了棉纖維發(fā)育相關(guān)基因的鑒定以及基因區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)控單元和活躍表達(dá)的轉(zhuǎn)座元件的研究。 棉屬擁有豐富的種質(zhì)資源，基因組學(xué)仍是研究棉屬植物基因的表達(dá)與調(diào)控以及功能演化最為有效的方法。 棉花的遺傳轉(zhuǎn)化受受體等因素的制約，是分子設(shè)計(jì)育種的一大障礙。 基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)為棉花品質(zhì)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(fù)序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）技術(shù)[99-100]的發(fā)展使基因編輯植物的獲得解除了對(duì)受體的依賴，在基因靶點(diǎn)通過替換、增強(qiáng)子增強(qiáng)表達(dá)等技術(shù)[101]，防止了無關(guān)外源基因的導(dǎo)入，為作物改良提供了新的方法。 新的生物技術(shù)在棉花遺傳育種和基因功能研究上的應(yīng)用將會(huì)大力推進(jìn)對(duì)棉纖維發(fā)育分子機(jī)制的研究和棉花生物育種進(jìn)程。