雪莲SiFBA4基因通过调控卡尔文循环及碳分配提升陆地棉光合效率与产量

《Industrial Crops and Products》：Improvement of photosynthetic efficiency and yield of upland cotton by SiFBA4 gene of Saussurea involucrata

本研究针对棉花光合效率提升的育种难题，通过将天山雪莲的SiFBA4基因导入棉花，系统解析了该基因对光合特性、农艺性状及纤维品质的调控机制。结果表明转基因棉花净光合速率(Pn)提升17.47%，籽棉产量增加19.22%，并发现光合产物向根系优先分配的代谢重编程现象，为作物碳同化网络设计提供了新策略。

　　

棉花作为全球最重要的天然纤维作物，在纺织工业发展中具有不可替代的地位。然而，当前棉花生产面临产量提升瓶颈，其根本原因在于光合作用效率的限制。研究表明，光合作用对作物产量的贡献率高达95%，但自然界中植物对光能的利用率仅为5%左右，对大气CO₂的固定率也仅有22.26%。这一巨大的提升空间促使科学家不断探索提高光合效率的新途径。

在光合作用的暗反应阶段，卡尔文循环是实现碳固定的核心环节，其中果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(FBA)作为关键酶之一，同时参与卡尔文循环和糖酵解过程，对碳同化效率具有重要调控作用。前期研究发现，来自耐寒植物天山雪莲(Saussurea involucrata)的SiFBA基因在番茄和烟草中表现出促进生长和增强抗逆性的功能，但其在棉花中对光合效率和产量形成的调控机制尚不明确。

为了解决这一科学问题，石河子大学生命科学学院的研究团队将天山雪莲的SiFBA4基因导入陆地棉，通过多组学联合分析，系统揭示了SiFBA4对棉花光合特性、农艺性状、产量和纤维品质的调控网络。该研究成果发表在《Industrial Crops and Products》期刊上，为棉花高产育种提供了重要的理论依据和遗传资源。

研究人员主要采用了农杆菌介导的遗传转化技术获得转基因棉花株系，通过连续两年的田间试验评估农艺性状，利用便携式光合作用测定系统(Li-6400TX)测量气体交换参数，结合转录组学和代谢组学技术分析基因表达谱和代谢物变化，并采用蛋白质免疫印迹和酶活性测定验证目标蛋白表达及关键酶活性。

3.1. 转基因棉花的获得及酶活性分析

通过农杆菌介导法获得22株转基因棉花，经分子筛选鉴定出14株阳性转化株。RT-PCR和蛋白质免疫印迹分析显示，OE-4、OE-14和OE-17株系中SiFBA4表达量显著高于其他转化株。酶活性测定结果表明，转基因株系的FBA酶活性比野生型(WT)提高42.23-87.55%，果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)活性在OE-4和OE-17株系中分别提高27.66-43.62%，而Rubisco活性虽略有增加(2.03-5.81%)但未达显著水平。

3.2. 转基因棉花的光合生理变化

两年田间数据显示，转基因株系的净光合速率(P_n)显著高于WT，其中OE-4株系平均提高17.47%。细胞间CO₂浓度(Ci)在转基因株系中降低35.22-33.44%，表明CO₂固定效率提升。叶绿素含量分析显示，转基因株系叶绿素a(Chl a)和总叶绿素(Chl T)含量显著增加，叶绿素a/b比值在OE-4和OE-17株系中显著提高，表明光能捕获效率优化。

3.3. 转基因棉花的生物量统计

转基因株系在铃期的总生物量显著高于WT，OE-4株系增加56.47%。各器官(根、茎、叶、铃)生物量均显著增加，其中铃生物量在OE-4株系中提高63.96%。根冠比在各基因型间无显著差异，表明SiFBA4过表达协调促进了源库器官发育。

3.4. 铃期转基因棉花的农艺性状

转基因株系果枝数和单株铃数显著增加，OE-4株系果枝数增加22.44%，单株铃数增加90.54%。双铃率在转基因株系中提高122.00-175.07%，果枝角度减小15.97-20.00%，株型更紧凑。群体叶面积指数显著增加，最高达85.21%。

3.5. 转基因棉花的产量性状

转基因株系籽棉产量显著提高19.22%，单株铃数增加25.91%，但单铃重无显著变化。产量提升主要源于铃数增加，而非单个铃重的变化。

3.6. 转基因棉花的纤维品质

转基因株系纤维长度和强度显著降低，分别下降6.68-7.70%和4.86-7.19%。纤维马克隆值和伸长率显著增加，纤维品级从A级降至C级，表明在产量提升的同时纤维品质有所下降。

3.7. 转基因棉花的转录与代谢机制分析

多组学分析揭示，SiFBA4过表达上调了卡尔文循环酶基因(如FBP、PGK)、光反应相关基因(PSBQ2、CAB13)及叶绿素合成基因(PORA、HEMC)的表达。糖转运蛋白基因(SWEET17、SUC3、STP5)表达模式改变，导致叶片糖含量降低而根系糖含量增加。淀粉含量在叶片和根系中均下降，表明光合产物运输加速。

研究结论与讨论部分深入分析了SiFBA4调控棉花光合效率和产量形成的多重机制。首先，SiFBA4通过协同增强光反应和碳固定过程，实现了光合效率的显著提升。转基因株系中关键卡尔文循环酶活性增加，光捕获复合体基因表达上调，建立了高效的光合-转运-代谢连续体。

其次，SiFBA4过表达重构了源-库关系，通过调控糖转运蛋白基因表达模式，促进了光合产物向库器官的分配。SWEET-STP-SUC转运轴的激活加速了蔗糖从源叶向根系的运输，导致根系糖含量增加而叶片糖含量降低，解释了生物量向地下部分倾斜的现象。

然而，这种碳分配模式的改变也带来了纤维品质下降的负面效应。研究表明，纤维发育需要持续的蔗糖供应，而SiFBA4驱动的代谢重编程可能导致纤维发育关键期碳源不足。同时，细胞骨架相关基因(ACT7、FIM2)的下调可能影响纤维细胞伸长，而蔗糖转化酶(CWINV)的上调减少了可用于纤维发育的蔗糖量。

这项研究的重要意义在于首次系统揭示了SiFBA4在棉花中的多功能调控网络，不仅为棉花高产育种提供了新基因资源，也为理解C₃作物碳同化与分配机制提供了新视角。研究提出的"代谢权衡"理论为未来通过时空特异性调控碳分配以实现产量与品质协同提升提供了重要思路。未来利用CRISPR/Cas9多靶点编辑系统优化碳流分配和株型构建，有望打破棉花产量与纤维品质间的负遗传关联，为作物分子设计育种开辟新途径。