SiICE2基因调控棉花株高与产量的分子机制：BR信号通路与CBF1基因的协同作用

为解决棉花株高调控与产量提升的关键问题，研究人员通过过表达SiICE2基因开展棉花遗传改良研究。研究发现SiICE2通过抑制BR（油菜素内酯）信号通路和上调GhCBF1表达，显著降低株高但增加生物量与产量，同时揭示其对光合效率与纤维品质的双重影响。该研究为棉花高密度种植与机械化采收提供了分子育种新靶点。

　　

棉花作为全球最重要的纤维作物，其株高直接影响收获指数和产量潜力。然而，传统育种中矮化品种常伴随产量下降，而高秆品种则不利于机械化采收。如何实现"矮秆高产"成为棉花育种的核心挑战。与此同时，植物激素油菜素内酯（BR）和冷响应转录因子CBF1（C-repeat binding factor 1）的调控网络在株高控制中的作用机制尚不明确。

为解决这一关键问题，石河子大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表了一项突破性研究。他们从雪莲（Saussurea involucrata）中克隆出SiICE2基因，通过农杆菌介导的遗传转化技术将其导入陆地棉（Gossypium hirsutum）品种R15，获得T3代转基因株系。研究结合表型组学、生理生化检测、转录组测序和外源激素处理等多维技术，系统解析了SiICE2调控棉花株高与产量的分子机制。

主要技术方法
研究采用农杆菌介导的棉花遗传转化体系构建过表达株系；通过Li-6400TX光合仪测定气体交换参数；利用Illumina HiSeqTM 2000平台进行转录组测序；采用外源油菜素内酯（BL）梯度处理验证BR信号通路参与；通过石蜡切片观察 hypocotyl（下胚轴）细胞形态。

SiICE2基因降低棉花的低温耐受性
尽管ICE家族基因通常参与低温响应，但过表达SiICE2的棉花株系（OE-5和OE-7）在4℃处理56小时后，相对电导率和MDA（丙二醛）含量显著高于野生型（WT），而CAT（过氧化氢酶）和POD（过氧化物酶）活性降低，表明其低温敏感性增强。意外的是，转基因植株表现出明显的矮化表型。

自然环境下ICE2株系的生物量与光合特性变化
表型分析显示：苗期生物量增加15.6%，但蕾期降低24.3%；铃期单株铃重提升26%，茎秆生物量增加24%。光合参数中，净光合速率（Pn）提高8.2%，气孔导度（Gs）增加25.5%，叶绿素a含量增长26.3%。这种"前期促生、后期控长"的特性有利于光合产物向生殖器官分配。

株高相关农艺性状与产量表现
转基因棉花呈现典型矮化特征：下胚轴长度减少30%，节间长度缩短23%，但茎粗增加28%。成熟期株高降低11.6%，而果枝数和单株铃数分别增加12%和14%。产量数据显示：籽棉产量提升13.7%（4310 kg/ha），单株铃重提高6.5%。不过纤维长度缩短4.9%，micronaire（马克隆值）升高15.4%，提示SiICE2可能抑制纤维伸长。

转录组揭示的分子机制
RNA-seq分析鉴定出1136个差异表达基因（DEGs），KEGG富集显示BR信号通路、GA（赤霉素）代谢和植物-病原互作通路显著改变。关键发现包括：

1. GhCBF1表达上调2.1倍，而细胞伸长相关基因GhTCH4（XTH家族成员）下调1.8倍
2. DELLA蛋白编码基因GAI上调，抑制GA信号传导
3. 生长素（AUX）响应因子ARF表达增强，可能促进茎粗增加

外源BL处理的表型拯救实验
20μM BL处理使转基因株系株高恢复至野生型水平，且下胚轴伸长响应强度比WT高28.2%，证实BR信号缺陷是矮化的主要原因。浓度梯度实验显示BL的促生长效应呈剂量依赖性。

讨论与意义
该研究首次揭示SiICE2通过"双通路调控"模式影响棉花株型：一方面通过激活GhCBF1抑制细胞伸长；另一方面干扰BR信号转导，导致BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）转录因子活性降低。这种调控网络与"绿色革命"半矮秆小麦的GA途径具有本质差异，为作物株型改良提供了新思路。

实践意义上，SiICE2介导的"紧凑株型-高产"性状组合特别适合新疆等高密度植棉区。虽然纤维品质略有下降，但可通过分子标记辅助选择进行优化。理论层面，研究建立了ICE-CBF-BR信号模块与植物发育的直接联系，为理解环境适应与形态建成的协同进化提供了范例。

未来研究可聚焦于：①SiICE2与BZR1的蛋白互作验证；②CBF1下游细胞壁松弛基因（如EXPANSIN）的调控机制；③不同生态区种植条件下的稳定性测试。这些工作将推动SiICE2在棉花精准育种中的应用。