MYB转录因子调控GST/GT介导棉花红色花瓣斑点发育的分子机制及其育种应用价值

本研究针对棉花红色花瓣斑点形成的分子机制不明问题，通过图位克隆鉴定出MYB转录因子GaMYB正向调控谷胱甘肽S-转移酶基因GaGST和糖基转移酶基因GaGT，揭示了MYB-GST/GT通路在亚洲棉、陆地棉和海岛棉中的保守性，为棉花花色育种提供了关键靶点。

　　

棉花作为全球最重要的纤维作物之一，其花瓣颜色不仅影响传粉效率，还与杂交种子生产密切相关。红色花瓣基部斑点是区分杂交种的重要标记，但其分子机制尚不明确。此前研究虽发现花青素途径相关基因如MYB转录因子和谷胱甘肽S-转移酶(GST)的调控作用，但糖基转移酶(GT)的参与及其与MYB的协同调控网络仍属空白。

为解决这一科学问题，研究人员通过图位克隆从亚洲棉(Gossypium arboreum)中鉴定出候选基因GaMYB(Gar07G09390)，发现其可正向调控相邻的GaGST(Gar07G08900)。进一步通过病毒诱导基因沉默(VIGS)技术结合转录组和代谢组分析，揭示了花瓣斑点形成过程中大量糖基化修饰的黄酮类代谢物变化，并锁定糖基转移酶基因GaGT(Gar02G15390)为关键参与者。值得注意的是，该基因附近存在全基因组关联分析(GWAS)鉴定的花瓣斑点相关位点，且其表达同样受GaMYB直接调控。这一MYB-GST/GT调控通路在亚洲棉、陆地棉(G. hirsutum)和海岛棉(G. barbadense)中均显示保守性，为棉花花色分子设计育种提供了新思路。相关成果发表于《The Crop Journal》。

研究采用病毒诱导基因沉默(VIGS)验证基因功能，通过转录组测序和广泛靶向代谢组学分析差异表达基因和代谢物变化，利用酵母单杂交(Y1H)、电泳迁移率变动分析(EMSA)和双荧光素酶报告系统验证蛋白-DNA互作，结合体外酶活实验鉴定GaGT的催化特性。样本来自亚洲棉Shixiya1-R、陆地棉Honghuaxi-R和海岛棉Hai60-R等具有红色花瓣斑点的品系。

【3.1 GaMYB通过正向调控GaGST参与花瓣斑点形成】
通过VIGS沉默GaMYB导致花瓣基部红斑显著褪色，qRT-PCR显示GaGST表达同步下降。分子互作实验证实GaMYB通过结合GaGST启动子的CAACTG元件激活其转录，首次建立了MYB-GST的调控级联。

【3.2 转录组与代谢组分析揭示GT参与调控】
比较GaMYB和GaGST沉默植株的转录组，发现72.87%和61.53%的差异基因在斑点快速形成期重叠。代谢组检测到32种黄酮类物质共同变化，其中27种为3-O-糖基化修饰的 flavonols，暗示GT的关键作用。

【3.3 GaGT的功能验证与调控机制】
位于A02染色体的GaGT被鉴定为花青素3-O-葡萄糖基转移酶，VIGS沉默导致红斑褪色。酶活实验证实其可催化氰啶素(cyanidin)生成氰啶素3-O-葡萄糖苷，还能催化黄酮醇(kaempferol)生成3,7-O-二葡萄糖苷。Y1H和EMSA证明GaMYB通过TAACCA motif激活GaGT表达。

【3.4 MYB-GST/GT通路的种间保守性】
在陆地棉和海岛棉中沉默同源基因GhMYB/GbMYB、GhGST/GbGST和GhGT/GbGT均导致红斑表型减弱。序列比对显示三个物种的MYB和GST基因完全一致，GT基因仅存在单氨基酸差异(V/I)，但酶活功能保留，证实通路的进化保守性。

该研究首次解析了MYB同时调控GST和GT的双轨通路在棉花花瓣斑点形成中的作用机制。相较于前人发现的GbBM(GbMYB)-GST单一路径，本研究补充了糖基化修饰的关键环节，完善了从花青素合成到修饰转运的完整分子框架。特别值得注意的是，GaGT所在的A02染色体区域与GWAS定位的斑点相关位点仅相距35kb，为其候选基因筛选提供了直接证据。研究建立的跨物种保守性规律，为利用二倍体棉花基因资源指导四倍体棉花的分子育种提供了理论依据，对培育具有特定花色标记的棉花品种、提高杂交制种效率具有重要应用价值。