The Crop Journal | 山东农大曾范昌课题组解析β-1,3葡聚糖酶基因调控棉花纤维/表皮毛遗传发育分子机制

以下文章来源于The Crop Journal ，作者编辑部

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棉花（Gossypium hirsutumL.） 是世界上最重要的天然纤维作物，也是最重要的油料作物之一。棉花作为优异的抗逆先锋作物，在我国盐碱地改良与利用中具有重要的应用价值。表皮毛是高等植物中起源于各个器官表皮细胞的特殊结构，是细胞发育分化与植物抗性的研究模型。棉花纤维是一种独特的从种皮表皮上伸长的单细胞表皮毛。目前已经发现了棉花纤维与表皮毛发育的系列调控途径和基因，其中包括 β-1,3葡聚糖酶家族基因介导的胞间连丝调控途径，但其重要目标基因的遗传进化变异规律与调控功能仍有待进一步解析和鉴定。   

近日，山东农业大学农学院曾范昌教授课题组在The Crop Journal在线发表了题为“The plasmodesmata-associated β-1,3-glucanase gene GhPdBG regulates fiber development in cotton”的研究论文，揭示了GhPdBG特异的变异进化规律和表达特征，其靶向胞间连丝作为纤维细胞间通道的开关，调控了棉花纤维和表皮毛细胞的遗传发育。该成果为棉花纤维/表皮毛细胞的发育调控研究及遗传改良提供了优异基因单倍型与理论依据。

研究者系统鉴定了棉花纤维发育相关β-1,3-葡聚糖酶目标基因（GhPdBG）的遗传变异进化和发育调控功能。棉花自然种质材料的基因结构和进化分析表明，GhPdBG基因启动子区存在单倍型多态性（图1），关联于基因表达和纤维长度表型变异，但编码区高度保守。同时GhPdBG在棉纤维组织中优势表达，并定位于细胞壁胞间连丝亚细胞结构。陆地棉（G. hirsutum）和海岛棉（G. barbadense）的PdBG基因同样呈现类似的遗传变异与表达模式及对应的纤维胞间通透性。因此，推测多样性环境和育种选择驱动PdBG通过其启动子的多样性变异和编码区的一致性保守，进化出灵活多样的表达调控模式和严谨稳定的蛋白功能，进而调控胞间通透活动状态和纤维发育进程，导致棉花纤维和表皮毛性状的多样性。进一步通过异位表达功能鉴定，验证了GhPdBG可通过调节胞间通透性来调控纤维和表皮毛的长度和/或密度（图2）。

图1 GhPdBG基因遗传进化多态性与单倍型分析

图2 GhPdBG异位表达与纤维/表皮毛发育表型功能鉴定

作者和基金项目

山东农业大学范宜杰博士、林双双硕士和吕艳辉博士为该文共同第一作者，曾范昌教授为通信作者。中国农业科学院棉花研究所、郑州大学棉花生物学国家重点实验室袁有禄研究员和商海红研究员参与了该课题。该研究得到棉花生物学国家重点实验室开放课题(CB2021A04)、山东省良种工程(2020LZGC002)、山东省自然科学基金（ZR2020MC107)等项目的资助。曾范昌教授团队以棉花等经济作物为主要对象，综合利用基因组学、遗传学、细胞与分子生物学、生物技术等，开展作物生物育种研究，在Genome Research、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America、Plant Cell、Plant Biotechnology Journal、iScience、The Plant Journal等期刊发表高水平学术论文30余篇。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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