GhHSP90-7和GhHSP70-8通过调节活性氧（ROS）的响应来促进棉纤维的发育

《Plant Physiology and Biochemistry》：The GhHSP90-7 and GhHSP70-8 augment cotton fiber development by regulating reactive oxygen species (ROS) response

棉花纤维发育中GhHSP90-7和GhHSP70-8的功能研究。通过转基因敲低和过表达发现两者调控纤维初期和伸长阶段，影响ROS稳态及自噬过程，揭示HSPs在纤维发育中的关键作用。

　　棉花纤维是植物界中最长的单细胞结构之一，这使其成为研究细胞分化、发育以及细胞壁生物合成的理想平台。在棉花纤维的形成过程中，多种转录因子、激素、表观遗传因子以及活性氧（ROS）都发挥着关键作用。此前的研究表明，在体外培养的棉子房中，抑制HSP90和HSP70的表达会导致表皮细胞中高浓度的过氧化氢（H?O?）积累，从而引发自噬现象，并最终导致纤维原细胞的减少。本研究则进一步探讨了在转基因棉花中，GhHSP90-7和GhHSP70-8表达水平的变化对棉花纤维发育的影响。通过观察这些热休克蛋白（HSPs）在不同发育阶段的表达情况，研究发现其在开花后0天（DPA）的表达水平最高，这表明它们在纤维原细胞的形成中具有重要作用。抑制或过表达这些HSPs的转基因植株中，纤维的生长在原细胞形成和伸长阶段均受到抑制。几乎所有的与纤维相关的性状在这些转基因植株中都受到了影响。此外，转基因棉子房中的ROS水平因HSPs表达的改变而出现失衡，进而干扰了细胞内的稳态。在抑制型转基因植株中，ROS的积累引发了子房表皮细胞的自噬，而在低ROS浓度的情况下，纤维原细胞的形成也受到影响，因为ROS分子在细胞信号传递中起着重要作用，其浓度下降导致纤维原细胞形成特异性转录因子的表达显著减少。这些结果表明，GhHSP90-7和GhHSP70-8在棉花纤维的发育中具有关键作用。

棉花纤维的形成是一个复杂且多层次的过程，通常被划分为四个不同的阶段，这些阶段之间存在一定的重叠。第一个阶段是纤维原细胞的形成（开花前2天至开花后5天），此时子房表面的表皮细胞分化为纤维原细胞。第二个阶段是纤维的伸长（开花后3天至20天），纤维在此阶段迅速增长。第三个阶段是次生细胞壁的合成（开花后16天至40天），这一过程涉及纤维素的沉积和纤维的加厚。最后，纤维进入成熟阶段（开花后40天至50天），在此阶段纤维脱水并经历结构稳定化，最终形成成熟的纤维。这些发育阶段受到复杂的分子机制调控，包括基因表达的协调、转录调控以及代谢信号通路。激素信号、糖代谢、次生代谢物的合成以及H?O?的稳态共同影响纤维的形成和伸长。值得注意的是，适当的H?O?浓度可以通过乙烯信号通路促进纤维的伸长，而过高的H?O?浓度则会引发氧化应激，从而抑制生长，造成细胞损伤，甚至可能导致细胞凋亡。植物细胞已经进化出多种保护机制来缓解由应激引起的损伤，其中包括表达热休克蛋白（HSPs），这些蛋白作为分子伴侣，有助于维持蛋白质稳态，并延缓细胞凋亡。

HSPs在原核生物和真核生物中都具有高度保守的特性，可以分为五个主要亚群：HSP100、HSP90、HSP70、HSP60/40以及HSP20。这些HSPs在蛋白质折叠、稳定以及细胞应激反应中发挥着重要作用。HSP90是一种高度丰富的分子伴侣，它对于发育稳定性以及缓冲表型变异至关重要，尤其是在拟南芥中。HSP90主要在根和芽的分生组织中表达，这表明其在细胞分裂和组织形成过程中具有重要作用。在番茄（Solanum lycopersicum）中，HSP90和HSP70能够直接与热休克转录因子相互作用，从而调控应激反应通路。HSP70除了在应激缓解中起作用外，还参与泛素介导的蛋白质降解以及细胞内蛋白质运输。在拟南芥中，HSP70的下调会导致植物对热应激的敏感性增加，并出现发育缺陷。此外，HSP70/HSP90复合物通过脱落酸信号通路调控气孔的闭合，这进一步表明了HSPs在植物生长调控中的重要性。

HSPs在植物发育和应激适应中的关键作用已被广泛研究和记录。通过对不同物种的基因组进行分析，发现HSP家族在多种植物中广泛存在。例如，HSP90家族在不同物种中包含7、9和10个成员，而HSP70家族则在拟南芥、水稻和山毛榉中分别包含18、26和20个成员。随着棉花基因组（Gossypium hirsutum）的公开，现在可以更深入地研究HSPs在棉花纤维发育中的具体作用。尽管HSPs已被广泛认为是应激反应的重要组成部分，但它们在发育过程中的直接作用，尤其是对纤维发育的影响，仍处于初步探索阶段。

作为全球重要的经济作物，棉花一直是提高纤维产量和质量的研究重点。随着基因组工具和表达分析技术的发展，科学家们能够更深入地理解纤维的发育机制。体外棉子房培养为研究纤维发育提供了一个理想的实验系统，使科学家能够在可控的条件下评估调控分子和环境变量。转基因技术的应用进一步使得科学家能够验证参与纤维分化和伸长的候选基因的功能。

之前的研究表明，GhHSP90和GhHSP70家族中的某些成员可能是纤维原细胞形成和伸长的关键调控因子。使用诺维奥菌素和皮非替林对体外培养的棉子房进行药物处理，显著抑制了纤维的生长，这提示了这些分子伴侣在纤维细胞扩展中的重要作用。基因表达分析显示，GhHSP90-7和GhHSP70-8在它们各自基因家族中表现出最高的转录丰度，这进一步支持了它们在纤维发育中的功能重要性。

本研究旨在通过构建转基因敲低和过表达植株，揭示GhHSP90-7和GhHSP70-8在棉花纤维发育中的具体作用。通过整合表型分析、转录组分析以及生化实验，这项研究将有助于全面理解棉花纤维发育背后的分子机制。从本研究中获得的见解可能为未来的育种和基因工程策略提供参考，从而提升棉花纤维的质量和产量。

在本研究中，我们还进行了基因家族的分析，以评估GhHSP90和GhHSP70在棉花中的结构多样性。我们从最新的棉花基因组数据库“WHU”中提取了更新的基因ID和编码序列（CDS），并使用已鉴定的HSPs的CDS来识别GhHSP90和GhHSP70家族成员。通过分析HSP90和HATPase_c（pfam02518）的特征结构域，我们识别出了来自D和A亚基因组的13和12个GhHSP90家族成员（表S1）。此外，我们还鉴定了GhHSP70家族的多个成员，进一步揭示了这些HSPs在棉花纤维发育中的潜在作用。

HSPs在植物中的作用不仅限于应激反应，还对植物的整体生长和发育产生深远影响。在不同植物中，HSPs能够影响蛋白质折叠和聚集、根的伸长以及细胞信号传递等多个方面。例如，在某些突变体中，HSPs的表达水平与植物的生长和发育密切相关。这些研究结果进一步强调了HSPs在植物生长调控中的重要性。HSPs的多功能性表明，它们不仅是应激响应的关键组件，还在维持细胞稳态和促进发育过程中发挥重要作用。

在本研究中，我们还观察到HSPs的表达变化对ROS水平的调节具有显著影响。ROS水平的失衡可能引发细胞内的氧化应激，从而影响纤维的形成和发育。抑制或过表达GhHSP90-7和GhHSP70-8的转基因植株中，ROS水平的改变导致了细胞稳态的破坏。在抑制型转基因植株中，ROS的积累引发了子房表皮细胞的自噬，而在低ROS浓度的情况下，纤维原细胞的形成受到抑制，因为ROS分子作为信号分子，其浓度下降影响了纤维原细胞形成特异性转录因子的表达。这些发现进一步支持了HSPs在维持细胞稳态和调控纤维发育中的关键作用。

此外，我们还注意到HSPs在植物发育中的表达模式与它们的功能密切相关。在棉花纤维发育的不同阶段，GhHSP90-7和GhHSP70-8的表达水平呈现不同的变化趋势。例如，在开花后0天（DPA），它们的表达水平达到峰值，这表明它们在纤维原细胞的形成过程中具有重要作用。而在后续的发育阶段，这些HSPs的表达水平逐渐下降，这可能与纤维伸长和次生细胞壁的合成有关。这种表达模式的变化提示了HSPs在纤维发育过程中的动态调控作用，为理解其功能提供了新的视角。

在实际应用中，HSPs的调控可能为提高棉花纤维产量和质量提供新的思路。通过调整HSPs的表达水平，科学家可以探索如何优化ROS的稳态，从而促进纤维的正常发育。例如，在抑制型转基因植株中，通过降低HSPs的表达，可以观察到ROS水平的升高，这可能导致自噬现象的加剧，进而影响纤维的形成。而在过表达型转基因植株中，HSPs的表达水平升高，可能会导致ROS水平的降低，从而影响纤维原细胞的形成。这些发现表明，HSPs的表达水平与ROS的稳态之间存在密切的关联，而这种关联可能在纤维发育的不同阶段表现出不同的模式。

进一步的研究表明，HSPs在植物发育中的作用不仅限于应激反应，还可能通过调控细胞内的信号通路影响纤维的形成。例如，HSP70和HSP90可能通过调控乙烯信号通路，影响纤维的伸长。这种调控机制可能涉及多种信号分子的相互作用，包括H?O?、脱落酸和乙烯等。此外，HSPs还可能通过影响蛋白质折叠和聚集，从而维持细胞内的稳态，促进纤维的正常发育。这些发现表明，HSPs在棉花纤维发育中的作用是多方面的，可能通过多种机制共同影响纤维的形成和伸长。

综上所述，本研究通过构建转基因敲低和过表达植株，揭示了GhHSP90-7和GhHSP70-8在棉花纤维发育中的具体作用。这些HSPs的表达变化不仅影响了ROS的稳态，还通过调控细胞内的信号通路影响了纤维的形成和伸长。研究结果表明，GhHSP90-7和GhHSP70-8在维持细胞稳态和促进纤维发育中具有关键作用。这些发现为未来研究HSPs在植物发育中的功能提供了新的方向，并可能为提高棉花纤维产量和质量提供理论依据。进一步的研究将有助于深入解析这些HSPs的分子机制，并探索其在农业应用中的潜力。