海岛棉与达尔文氏棉纤维发育关键基因的转录组动态比较及表达调控机制研究

本研究针对海岛棉(Gossypium barbadense)与野生异源四倍体棉(G. darwinii)纤维发育的分子机制差异，通过转录组测序技术系统分析了0-25天纤维发育关键阶段(DPA)的基因表达谱。研究人员鉴定出12,748个差异表达基因(DEGs)，发现XLOC_080616等3个基因在15-20 DPA显著上调，揭示了脂质转移蛋白(LTPG2)和酰基转移酶(LPAT2)在纤维次生壁(SCW)合成中的调控作用。该研究为解析优质纤维形成的遗传基础提供了新见解，对棉花分子育种具有重要指导价值。论文发表于《BMC Plant Biology》。

　　

棉花作为全球最重要的天然纺织纤维来源，其纤维品质直接影响纺织工业的经济效益。海岛棉(Gossypium barbadense)以其超长纤维(>34mm)和优异强度闻名，而野生种达尔文氏棉(G. darwinii)虽纤维较短(25-26mm)，却具有独特的抗逆特性。尽管前人研究表明纤维发育经历起始、伸长、初生壁(PCW)和次生壁(SCW)合成四个阶段，但两种棉花纤维品质差异的分子机制仍不清楚。特别在SCW合成期(15-25 DPA)，纤维素沉积占成熟纤维干重的95%，这一阶段的基因调控网络解析对纤维改良至关重要。

中国农业科学院棉花研究所的研究团队通过比较XH-18(海岛棉)和darwinii 5-7(达尔文氏棉)在0、5、10、15、20和25 DPA的转录组动态，揭示了两种棉花纤维发育的分子差异。研究发现F₁代纤维长度(31.1mm)和强度(35.9 cN/tex)介于双亲之间，暗示存在显性遗传效应。通过Illumina HiSeqX平台生成12个RNA-seq文库，获得16亿条高质量读长，映射率达87-90%。

关键技术包括：1) 多时间点(0-25 DPA)纤维样本采集；2) Illumina HiSeqX转录组测序；3) Tophat2基因组比对和FPKM定量；4) GFOLD算法筛选DEGs；5) GO/KEGG功能富集分析；6) qRT-PCR验证候选基因。

差异基因表达模式
Pearson分析显示相同发育阶段基因表达相似度>90%，但10 DPA和25 DPA存在显著差异。共鉴定12,748个DEGs，其中6,742个下调，6,402个上调。海岛棉在纤维起始期DEGs数量(99,220)显著多于达尔文氏棉(75,307)，暗示其具有更活跃的转录调控网络。

关键功能基因
XLOC_080616编码GPI锚定非特异性脂质转移蛋白(LTPG2)，与拟南芥At2g13820同源，在15-20 DPA显著上调。该蛋白可能通过调控脂质运输促进SCW形成。XLOC_065471编码1-酰基-sn-甘油-3-磷酸酰基转移酶(LPAT2)，参与膜脂重构，与细胞伸长相关。第三个未注释基因XLOC_077416在SCW阶段持续高表达，可能参与金属离子结合。

激素与转录因子
研究发现油菜素内酯、生长素/IAA和乙烯通路基因差异表达。WRKY、MYB、NAC等转录因子家族显著富集，其中bHLH类转录因子可能通过调控GhEXPA8(扩展蛋白基因)影响纤维伸长，这与Bajwa等报道的纤维长度改良机制一致。

验证与通路分析
qRT-PCR证实90%候选基因表达趋势与RNA-seq一致。KEGG分析显示苯丙烷代谢、类黄酮合成和泛醌生物合成通路显著富集。特别值得注意的是，β-葡糖醛酸转移酶(GlcAT14A)基因可能通过调控II型阿拉伯半乳聚糖(AG)合成影响SCW组装，该发现为纤维强度改良提供了新靶点。

结论表明，海岛棉在纤维起始期表现出更强的基因表达活性，而达尔文氏棉在抗逆相关基因上具有优势。研究首次揭示LTPG2和LPAT2在棉花纤维SCW合成中的协同作用，为分子设计育种提供了理论依据。该成果不仅解析了优质纤维形成的转录调控基础，也为野生棉种质资源的利用开辟了新途径。未来研究可聚焦这些关键基因的遗传转化，验证其对纤维品质的具体影响。