GhAOS整合昼夜节律与茉莉酸信号通路调控棉花和拟南芥高温胁迫响应的机制研究

本研究针对高温胁迫导致棉花雄性不育和减产的生产问题，通过分子生物学和遗传学方法揭示了昼夜节律（CR）通过调控茉莉酸（JA）信号通路影响植物高温胁迫响应的新机制。研究发现GhAOS基因是整合CR与JA信号的关键因子，其缺失会导致JA合成受阻、活性氧（ROS）积累和花粉育性丧失。该研究为作物抗逆育种提供了重要靶点和理论依据，对保障农业可持续发展具有重要意义。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温胁迫已成为制约农作物生产的主要非生物胁迫因素。棉花作为重要的经济作物，其生殖发育阶段对高温异常敏感，尤其是花药发育的减数分裂期（TS阶段）易受高温影响导致雄性不育，造成严重产量损失。以往研究表明，茉莉酸（JA）信号通路在花粉发育和花药开裂过程中起关键作用，但其调控机制及其与生物钟系统的互作关系尚不明确。

研究人员通过整合分子生物学、遗传学和生理学方法，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建GhAOS突变体，结合连续光照（CL）和高温（HT）双重胁迫处理，系统分析了昼夜节律（CR）与JA信号通路的互作机制。研究团队采集了棉花TS阶段花药样本和拟南芥花器官，采用高效液相色谱-质谱联用技术（HPLC-MS）测定JA含量，通过实时定量PCR（qRT-PCR）分析基因表达模式，并利用生化试剂盒检测过氧化氢（H₂O₂）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性等生理指标。

昼夜节律中断通过抑制JA合成导致棉花和拟南芥花药异常

研究发现连续光照（CL）处理破坏正常昼夜节律后，棉花TS阶段花药出现黄化现象，拟南芥柱头显著伸长。分子检测显示，CL处理导致棉花花药中JA和JA-异亮氨酸（JA-Ile）含量显著降低，昼夜节律核心基因LHY和APRR1的表达节律发生紊乱。在拟南芥中也观察到类似现象，表明昼夜节律中断会通过影响JA生物合成导致花药发育异常。

JA缺失突变体对昼夜节律胁迫更加敏感

通过CRISPR/Cas9技术构建的GhAOS突变体棉花表现出典型雄性不育表型：花器变小、花药不开裂、花粉皱缩败育。在CL+HT双重胁迫下，突变体植株出现叶片黄化、花蕾脱落等严重表型，而野生型植株仅表现为花药可育性下降。拟南芥JA合成突变体（aos和aoc2）在CL+HT处理下同样表现出更早的叶片衰老和花器官萎缩，证实JA缺失会显著增强植物对节律胁迫的敏感性。

JA是维持昼夜节律和胁迫响应的关键因子

生理检测发现，CL+HT胁迫下野生型棉花花药JA含量在12小时后开始下降，而拟南芥在8小时即出现下降。JA突变体中JA含量始终维持在较低水平。进一步分析JA信号通路负调控因子JAZ基因的表达，发现JAZ-6、JAZ-25、JAZ-26和JAZ-28在突变体中显著上调，表明JA信号通路受到抑制。

活性氧代谢和离子泄漏参与节律胁迫响应

在CL+HT胁迫下，JA突变体花药在8小时就出现H₂O₂积累，而野生型到20小时才检测到明显积累。抗氧化酶活性检测显示，突变体中SOD和POD活性持续下降，而野生型在胁迫初期（12小时内）SOD活性反而升高。离子泄漏实验表明突变体细胞膜损伤更早更严重，8小时即出现显著电解质泄漏，而野生型到20小时才出现类似现象。

该研究揭示了昼夜节律通过调控JA信号通路影响植物高温胁迫响应的分子机制。GhAOS作为整合节律信号与JA生物合成的关键节点，其功能缺失会导致JA合成受阻、JAZ抑制因子积累、ROS清除系统紊乱，最终引发花粉育性丧失。研究首次在作物体系中发现CL+HT双重胁迫会加速JA信号衰减和雄性不育进程，为理解生物钟与激素信号互作提供了新视角。这些发现不仅为作物抗逆育种提供了重要靶点（GhAOS），也为应对气候变化带来的农业生产挑战提供了理论依据和实践策略。未来研究可通过多组学方法进一步解析节律因子与JA信号通路的直接调控关系，为设计气候智能型作物品种奠定基础。