Dev. Cell | 华中农业大学棉花遗传改良团队解析转录因子GhMYB4协调棉纤维从细胞伸长向次生壁合成转换的分子机制
近日，华中农业大学棉花遗传改良团队在国际知名杂志Developmental Cell发表了题为“Bifunctional transcription factor GhMYB4 orchestrates transition from elongation to secondary cell wall synthesis trade-off in cotton fiber”的研究论文。棉花纤维是种子表皮毛且为单细胞，成熟的棉纤维长度约30mm，纤维素含量可达95%。棉纤维从起始分化到成熟历时近50天，无需人为“拉慢镜头”，是从单细胞水平研究细胞起始分化、次生壁合成等发育过程的良好材料。本研究基于对棉纤维全发育期的表型及转录组分析，清晰地提出并证明棉花纤维伸长到次生壁增厚存在转换期，并进一步阐明了转换期关键转录因子GhMYB4通过转录激活和转录抑制双重功能协调纤维从细胞伸长期到次生壁转换的分子机制。棉花是关系国计民生的重要战略物资，具有广泛的应用领域和巨大的经济价值。我国高端原棉60%以上依赖进口，使得纤维品质改良成为亟需解决的育种难题。初生壁和次生壁特性很大程度的决定了棉花纤维长度、细度、强度等品质,伸长期伴随着初生壁的极性扩张，是决定纤维长度的关键时期；次生壁合成期纤维素大量沉积造成次生壁急剧增厚，是决定细胞壁厚度的重要时期，而细胞壁厚度与纤维的细度/强度显著相关。培育优质棉纤维需要协调纤维长度及次生壁厚度，在不损害纤维长度的前提下使次生壁得到一定程度的增厚。纤维细胞次生壁合成启动，细胞壁刚性增加，纤维伸长即刻停止，因此纤维长度和细胞壁厚度通常呈负相关。权衡纤维不同发育阶段，实现对纤维长度、细度及强度的统筹调控对于培育优质棉纤维具有重要意义。本研究通过考察陆地棉遗传转化受体材料Jin668的纤维发育进程，发现纤维在开花后3天 （3 DPA）时开始快速伸长，18 DPA时伸长基本停止；15 DPA时开始次生壁增厚直至成熟；12 DPA-18 DPA棉纤维细胞胞间层发生降解，在此期间纤维兼具伸长和次生壁增厚两个特征。转录组PCA分析显示，12 DPA、15 DPA和18 DPA的纤维基因表达模式呈现出从伸长（3 DPA-12 DPA）转换至次生壁合成（18 DPA之后）的连续又相对独立的分布状态；聚类分析发现一个基因表达簇在12 DPA-18 DPA优势表达，该簇基因同时富集在与纤维伸长及次生壁合成相关路径。陆地棉Jin668的纤维发育由伸长向次生壁增厚转换发生在12 DPA-18 DPA，并且该时期具有调控协调纤维伸长及次生壁增厚的潜力。图1棉花纤维全生育期的表型及基因表达模式
通过对转换期优势表达的转录因子进行调控网络分析，鉴定到转换期核心转录因子GhMYB4。利用CRISPR基因敲除以及超表达株系对GhMYB4进行功能分析，发现基因编辑株系纤维变长，马克隆值降低，纤维变细，结晶纤维素含量降低，纤维品质更好；而的超表达株系表型与敲除株系完全相反。表明GhMYB4同时调控纤维伸长及次生壁增厚。对GhMYB4转基因材料15 DPA纤维进行转录组测序，发现GhMYB4通过抑制伸长相关基因表达，激活次生壁合成相关基因表达，双向调控纤维伸长和次生壁增厚。图2 GhMYB4转基因材料的表型分析
图3 GhMYB4转基因材料的转录组分析
为进一步研究GhMYB4差异调控纤维伸长和次生壁增厚的分子机制，利用酵母单杂交，双荧光素酶报告系统、染色质免疫共沉淀和凝胶阻滞等分子生物学实验验证，发现GhMYB4与伸长期优势表达的转录因子GhRAP2和GhTCP15形成负反馈调节环，调控下游脂肪酸和油菜素内酯相关基因的表达，从而调控纤维伸长。此外，GhMYB4与次生壁合成期优势表达的转录因子GhMYB52、GhFSN1和GhILR3接力激活次生壁相关纤维素合酶的表达，进而调控次生壁合成。图4 GhMYB4和GhRAP2、GhTCP15间的负反馈调节
图5 GhMYB4和GhMYB52、GhFSN1、GhILR3接力激活SCW-GhCesAs.
转录因子作为DNA结合蛋白，具有两个重要功能：1)通过DNA结合域与目标DNA序列中的特定顺式元件结合；2)通过转录调控域执行转录激活或转录抑制功能。为了揭示GhMYB4同时具有激活和抑制双重功能的分子机制，利用双荧光素酶报告系统，对GhMYB4蛋白逐步截短验证其转录活性。发现位于GhMYB4蛋白C端的C1结构域具有转录激活功能，C4结构域具有转录抑制功能。此外，通过大量的预测分析，发现GhMYB4在结合AC-I（ACCAAA）顺式作用元件后发挥转录抑制功能，结合ACCTAA (AC-II)、ACCTAC (AC-III)或ACCAAC (AC-IV)后发挥转录激活功能。图6 GhMYB4激活/抑制表达双重功能机制解析
该研究揭示了纤维发育转换期具有协调纤维伸长和次生壁增厚的潜力。鉴定到转换期关键转录因子GhMYB4，通过与GhRAP2和GhTCP15间的负反馈调节调控脂肪酸和油菜素内酯，与GhMYB52、GhFSN1、GhILR3接力调控SCW-GhCesAs，实现对纤维伸长和次生壁增厚的调控。并进一步对GhMYB4双重作用的机制进行初步解析。该研究不仅明晰了纤维发育转换期的重要意义，并为培育优质棉纤维提供了有价值的育种策略及基因资源。图7 GhMYB4调控纤维发育模式图
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的张献龙教授和涂礼莉教授为该论文的共同通讯作者，乔露博士为该论文的第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFF1001400），国家自然科学基金（32172071）和科技创新2030-重大项目（2023ZD04038）等项目的资助。原文链接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(25)00294-1
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