文章导读

发表单位：中国农业科学院棉花研究所

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：10.0

发表时间：2025年2月

棉纤维广泛应用于纺织业，其纤维质量对纺织工业具有重大影响。棉花纤维的品质（如长度、强度）受次生壁合成阶段的调控，其中木聚糖是次生壁的主要成分。在模式植物拟南芥中已发现木聚糖的合成由IRX10（β-1,4-木糖基转移酶）及其复合体（IRX9/14）催化。同时NAC-MYB转录模块调控次生壁合成，但棉花中具体的调控机制尚不明确。

近日，中国农业科学院棉花研究所在植物学领域知名期刊Plant Biotechnology Journal上发表了题为“GhMYB102 affects cotton fibre elongation and secondary wall thickening by regulating GhIRX10 in cotton”研究型论文。研究鉴定到一个木聚糖主链合成关键基因GhIRX10及调控其特异性表达的关键调控因子GhMYB102对细胞壁厚度和纤维伸长的影响，丰富了棉花纤维发育的调控网络，为棉花纤维品质改良奠定了理论和材料基础。

技术路线

研究结果

01 GhIRX10功能上与纤维发育相关

作者根据拟南芥IRX10的序列通过序列比对，鉴定出4个IRX10棉花同源基因（图1b）。其中GhIRX10_A03/D03（GH_A03G1759/GH_D02G1915）在次生壁加厚期（20-25 DPA）中高表达（图1a）。亚细胞定位显示全长GhIRX10定位于高尔基体（图1d,e），同时其具备的跨膜结构域缺失会导致GhIRX10在细胞质聚集（图1d）。相关性分析表明GhIRX10表达量与纤维长度呈负相关（图1f,g），提示该基因可能参与纤维发育调控，并影响纤维质量。

图1：棉花中 IRX10 同源物基因的序列和功能分析

02 GhIRX10促进木聚糖合成并影响纤维伸长与次生壁加厚

随后作者构建了GhIRX10过表达（OE-GhIRX10 ）和RNAi（RNAi-GhIRX10 ）株系，并通过RT-qPCR验证（图2a）。大容量棉花纤维测试仪（HVI）检测显示OE-GhIRX10株系纤维质量更好（图2g,h），高效液相色谱检测发现OE-GhIRX10株系的木寡糖含量显著升高（图2i）。RT-qPCR证实OE-GhIRX10株系中GhIRX9/14及GhIRX9L/14L表达上调（图2j,k），这表明GhIRX10通过促进木聚糖合成影响纤维发育，这对于提高纤维质量非常重要。

图2：GhIRX10 转基因品系与野生型 （WT） 棉花的纤维形态和生化分析比较

03 GhIRX10调控纤维细胞壁相关基因表达

为了研究GhIRX10在转录水平上对棉纤维发育的影响，对20 DPA的OE-GhIRX10和RNAi-GhIRX10进行RNA-seq分析，发现OE-GhIRX10中下调基因主要参与细胞壁结构和多糖代谢（图3b），且在纤维发育的起始和伸长阶段高表达（图3c），这表明GhIRX10的过表达可能会抑制与纤维伸长相关的基因的表达，从而减少成熟纤维的长度。RNAi-GhIRX10中5336个基因上调，KEGG富集于氨基酸代谢、碳水化合物代谢等通路（图3f），上调的基因中鉴定出436个转录因子（bHLH、ERF、MYB等家族）表达上调（图3g,h），且这些转录因子也是在纤维发育的起始和伸长阶段高表达，这与过表达株系一致。提示GhIRX10异常表达会影响与细胞发育相关的基因的表达。

图3：鉴定和分析GhIRX10转基因品系和 WT 之间 20 DPA 纤维中的差异表达基因 （DEG）

04 GhMYB102通过"TTAGGT"顺式元件调控GhIRX10表达

作者通过JASPAR分析发现GhIRX10启动子区含有7个MYB结合位点（MBS），其中MBS_1-3包含核心序列"TTAGGT"（图4a）。通过GUS报告系统发现'TTAGGT' 可能是调节GhIRX10表达的调节因子的首选候选结合位点。

随后作者通过DAP-seq和同源比对筛选出候选调控因子GhMYB102（图4d），其蛋白含R2R3-MYB结构域（图4e）。酵单杂交（Y1H）、双荧光素酶报告基因和EMSA实验证实GhMYB102直接结合GhIRX10启动子并激活其表达（图4f-i）。RNAi-GhIRX10株系中GhMYB102表达显著上调（图4j），为了进一步研究这种调控关系，作者创建了GhMYB102的过表达系，发现OE-GhMYB102株系中GhIRX10表达增加（图4k），表明二者存在反馈调控关系，其中GhIRX10缺失诱导GhMYB102高表达。

图 4：GhMYB102 通过特异性 'TTAGGT' 基序调节 GhIRX10 表达

05 GhMYB102调控纤维长度和细胞壁厚度

为了确定GhMYB102对纤维发育的积极调节影响，作者构建OE-GhMYB102株系（图5a），HVI检测显示OE-GhMYB102株系纤维长度显著缩短、强度增加（图5b-d），细胞壁厚度显著增加（图5e,f），该结果证实了GhMYB102对纤维长度和细胞壁增厚的调节，这与在OE-GhIRX10系中观察到的表型一致。

图 5：GhMYB120 过表达对纤维伸长率和次生壁增厚的影响

06 GhMYB102在次生细胞壁合成中的起核心调控作用

DAP-seq鉴定出GhMYB102结合 motif "TTAGGT"（图6c,d），靶基因显著富集于高尔基膜和细胞壁合成通路（图6e）。RNA-seq与DAP-seq联合分析发现239个重叠基因（图6f），GO富集显示这些基因参与纤维素合成（图6g）。此外OE-GhMYB102纤维素和半纤维素含量显著增加（图6h）。

图 6：GhMYB102全基因组靶基因的鉴定和功能分析

GhCESA4、7和8是参与次生细胞壁（SCW） 合成的主要纤维素合酶，RNA-seq 和 RT-qPCR发现OE-GhMYB102系中GhCESA4、7和8 表达上调（图7a,b）。基序分析发现GhCESA4、7和8包含GhMYB102的结合基序 'TTAGGT'。EMSA证实GhMYB102直接结合其启动子（图7c），这表明GhMYB102通过调控纤维素合酶基因表达调控次生壁加厚。

图 7：GhMYB102正向调节GhCESA4、7和8的表达

07 GhMYB102是次生壁调控网络中的关键因子

启动子分析发现GhMYB102含有NAC转录因子结合位点（NBS）和七个 MYB转录因子结合位点（MBS）（图8a）。分析这两个GhNBS的序列发现其与AtNST1的基序高度相似，而AtNST1 是一种参与 SCW 合成的 NAC 转录因子。同时已有研究表明GhFSN1是 AtNST1的棉花同源物，且GhFSN1在OE-GhFSN1系中上调GhMYB102表达（图8b）。双荧光素酶报告基因实验和EMSA实验证实GhFSN1直接激活GhMYB102表达（图8c,d），而OE-GhMYB102株系中GhFSN1表达上调（图8e），EMSA显示GhMYB102反向结合GhFSN1启动子（图8f,g）。这一发现证明了GhMYB102和GhFSN1之间的相互调节关系，并且它们都在次生细胞壁的合成中发挥作用。

GhMYB102启动子中的 MBS2 和 MBS4 序列与 SCW MYB 反应元件 （SMRE） 序列匹配。在之前的一项研究中发现GhMYB102的表达在RNAi-GhMYB7系中显着下调，且GhMYB7是一种关键的转录因子，已被证明可通过 SMER 位点调节纤维次生壁增厚。为了解该转录因子是否与GhMYB102互作。作者通过双荧光素酶报告基因实验证实GhMYB7通过SMRE元件调控GhMYB102表达（图S4）。这些结果表明GhMYB102与GhFSN1、GhMYB7构成复杂的调控网络，共同调控次生壁合成。

图 8：GhMYB102受GhFSN1直接调控

文章小结

根据本研究的结果和之前对GhMYB46的研究结果，作者发现GhMYB102和GhMYB46的作用机制类似，于是作者推测GhMYB102和GhMYB46在SCW 调节途径中可能具有相似的功能，并且它们相互竞争以调节下游 SCW 合成相关基因的表达。

最终作者建立了GhMYB102-GhIRX10模块调控棉花纤维次生壁合成的分子机制模型，GhMYB102和GhMYB46以协同竞争关系发挥作用，并受GhFSN1和GhMYB7直接调控。一方面，GhMYB102可以直接调节GhIRX10和其他与半纤维素合成相关的基因的表达，促进细胞壁发育;另一方面，GhMYB102直接调节GhCESA4、GhCESA7和GhCESA8的表达，增加纤维素合成。该发现完善了次生壁合成调控网络，为棉花纤维品质改良提供了新靶点。研究结果为棉花纤维次生壁生长发育研究提供了理论支撑，对棉花纤维品质的分子改良具有指导意义。

图 9：GhMYB102和GhIRX10参与棉花纤维次生细胞壁合成的分子调控网络模式图

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