棉花LOX基因家族的全基因组鉴定及其在愈伤组织诱导与抗旱性中的功能解析

本研究针对棉花生长受干旱胁迫制约的关键问题，通过全基因组分析鉴定了四个棉种（陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉）的LOX（脂氧合酶）基因家族，揭示了其在愈伤组织诱导和抗旱性中的双重作用。研究人员采用VIGS（病毒诱导基因沉默）技术沉默GhLOX5基因，发现沉默植株生长受限，叶片失水率增加23%，电解质渗漏率上升12%，同时MDA（丙二醛）和H2 O2 含量显著升高。该研究为棉花抗逆育种和体细胞再生机制提供了新靶点，成果发表于《Plant Gene》。

　　

棉花作为全球重要的经济作物，其产量常受干旱胁迫的严重制约。干旱不仅影响棉花的生长发育，还会导致细胞膜损伤、氧化应激和代谢紊乱。与此同时，棉花体细胞再生技术的效率低下也限制了其遗传改良进程。脂氧合酶（LOX）基因家族因其在氧化多不饱和脂肪酸生成功能氧脂素中的关键作用，成为连接抗逆性与细胞再生的潜在桥梁。然而，该基因家族在棉花中的系统研究仍属空白。

中国农业科学院棉花研究所的研究团队通过对四个棉种（Gossypium hirsutum、G. barbadense、G. arboreum和G. raimondii）的全基因组分析，鉴定出34、39、23和20个LOX基因，并划分为9-LOX、13-LOX Type I和13-LOX Type II三大类。研究采用qPCR技术分析三个陆地棉品种（德字棉2404、晋棉498和江苏棉1号）的愈伤组织诱导过程，发现GhLOX基因在子叶愈伤组织中表达最高，且多数基因在诱导1周时上调，2-4周后下降。通过VIGS技术沉默GhLOX5（Gh_A02G037000）后，植株生长量显著降低，叶片失水率和电解质渗漏分别增加23%和12%，MDA和H₂
O₂
含量上升25%和45%，表明该基因在维持细胞膜稳定性和清除活性氧（ROS）中起关键作用。

关键技术包括：1）基于PLAT和lipoxygenase结构域的全基因组基因家族鉴定；2）利用MS培养基（含3 mg·L^?1
6-BA和0.5 mg·L^?1
NAA）进行愈伤组织诱导；3）VIGS介导的GhLOX5功能验证；4）生理指标（MDA、H₂
O₂
、电解质渗漏）定量分析。

研究结果

1. LOX基因鉴定与进化分析：染色体定位显示A08和D08染色体为基因富集区，串联重复事件驱动家族扩张。
2. 表达模式解析：晋棉498茎尖诱导的愈伤组织中LOX基因持续高表达，暗示品种特异性调控机制。
3. 功能验证：GhLOX5沉默导致抗氧化酶系统失衡，证实其通过调节ROS稳态影响抗旱性。
4. 通路富集：KEGG分析揭示LOX基因显著富集于α-亚麻酸代谢和植物-病原互作通路。

结论与意义
该研究首次系统阐明了棉花LOX基因家族在抗旱性和体细胞再生中的双重功能。GhLOX5通过调控氧脂素合成影响细胞膜稳定性，其沉默导致ROS积累和水分流失加剧。愈伤组织表达模式提示LOX基因可能通过影响细胞增殖参与早期再生事件。研究成果为棉花分子设计育种提供了新策略，同时为植物体细胞全能性机制研究开辟了新视角。未来需进一步解析LOX基因调控网络与激素信号（如2,4-D）的互作机制。