GhCYP704B1调控棉花花粉外壁和花药角质生物合成以维持雄性育性的机制研究

本研究针对棉花杂交育种中人工去雄成本高与种子纯度保障问题，由研究人员通过比较基因雄性不育突变体ms1与野生型Coker 312花药发育的转录组差异，发现GhCYP704B1基因在ms1中显著下调且特异性表达于花药。利用VIGS技术沉默该基因后，导致花粉胼胝质形成异常、外壁缺陷和育性下降，证实其通过调控孢粉素和角质单体合成途径影响雄性育性，为棉花不育系创制提供关键靶点。

　　

棉花杂交种具有显著优势，而雄性不育系在杂交育种中的应用可降低人工去雄成本并保障种子纯度。花粉与花药发育是植物育性的核心环节，其中孢粉素(Sporopollenin)合成是花粉外壁(Exine)的主要成分，对维持花粉活性至关重要；参与该过程的基因突变会直接影响花粉发育与育性形成。研究人员通过分析基因雄性不育突变体ms₁与其遗传背景Coker 312在花药发育过程中的差异表达基因(DEGs)，从中筛选出与花粉外壁和花药角质(Cutin)生物合成相关的候选基因。GhCYP704B1(Gh_D12G2768)在ms₁花药中表达显著下调，且在发育过程中持续低表达。同时，从DEGs中筛选出的20个GhCYP704B1同源基因中，仅GhCYP704B1在花药中优势表达，其他同源基因未呈现显著变化。利用VIGS技术沉默棉花C312中的GhCYP704B1后，小孢子发育四分体时期的胼胝质(Callose)形成受阻，导致花粉外壁部分缺损、花粉活性减弱、萌发率降低及植株育性下降。沉默株系中花粉外壁和花药角质合成相关基因的表达水平发生显著改变，花药角质单体组成与含量大幅减少。胼胝质异常进一步阻碍孢粉素合成，致使花粉外壁无法正常形成。研究表明，GhCYP704B1通过调控花粉外壁生物合成途径影响棉花雄性育性，为陆地棉(G. hirsutum)新型不育系创制提供了候选基因。