五类棉属植物糖途径开花相关基因的鉴定与比较基因组学分析

【编辑推荐】本研究针对棉花糖途径开花调控机制不明的问题，通过全基因组分析鉴定了Gossypium属5个物种的165个开花相关基因，揭示其系统发育保守性、纯化选择特征及多倍体物种分化规律。通过酵母双杂交(Y2H)和RNA-seq验证了GhTPS1–1/GhHXK1–1与GhPGI1–1的互作及组织表达模式，为棉花花期调控提供了重要理论依据。

　　

植物开花是营养生长向生殖生长转变的关键过程，这一过程受到内源糖信号与外界环境的精密调控。尽管在模式植物拟南芥中已发现糖途径通过Tre6P（海藻糖-6-磷酸）、SUC9（蔗糖质子共转运蛋白）等分子影响开花时间，但作为全球重要经济作物的棉花，其糖途径如何调控开花的机制仍属空白。更棘手的是，棉属包含二倍体（如G. arboreum）和异源四倍体（如G. hirsutum AD₁）等多种基因组类型，其基因家族扩张与功能分化规律亟待解析。

为解决这一问题，安徽科技大学的研究团队对5种棉属植物（G. herbaceum、G. arboreum、G. hirsutum、G. barbadense和G. raimondii）展开全基因组分析，鉴定出165个与糖途径和开花相关的基因。研究发现这些基因在系统发育树上分为9个亚家族，且普遍经历纯化选择（Ka/Ks <1）。值得注意的是，四倍体棉花中缺失IDD8、SUC9和GALT2的同源基因，而二倍体间的基因相似度高于其与四倍体的相似度，暗示这些基因在异源多倍化前已发生分化。通过酵母双杂交实验证实GhTPS1–1（海藻糖-6-磷酸合成酶）和GhHXK1–1（己糖激酶）能与GhPGI1–1（磷酸葡萄糖异构酶）相互作用，RNA-seq数据则显示46个基因在G. hirsutum的茎和花中高表达。该研究发表于《Plant Gene》，首次系统揭示了棉属糖途径开花调控网络的进化特征。

关键技术方法
研究采用全基因组比对鉴定基因家族成员，结合MCScanX进行共线性分析；使用MEGA构建系统发育树；通过酵母双杂交验证蛋白互作；利用G. hirsutum cv "TM-1"的8种组织（根、茎、叶、花等）RNA-seq数据分析表达模式。

研究结果

1. 植物材料
   采集田间种植的G. hirsutum TM-1品系8种组织样本，包括102日龄花器官（雄蕊、雌蕊等）和12日龄营养器官。

2. 基因鉴定与系统发育分析
   发现四倍体棉花存在部分基因丢失现象（如GhTPS1–2-A），而G. barbadense D基因组缺失GbTPS1–6-D。基因结构分析显示同一亚家族成员具有保守的外显子-内含子排布。

3. 讨论
   糖信号分子Tre6P和HXK1可能通过影响蔗糖代谢调控开花时间。与拟南芥不同，棉花中IDD8同源基因的缺失暗示其调控网络存在物种特异性。

4. 结论
   研究建立了首个棉属糖途径开花相关基因数据库，揭示多倍体化过程中的基因丢失现象，为分子育种提供靶点。

5. 资助与声明
   研究受国家自然科学基金（31860393）等资助，作者声明无利益冲突。

这项研究不仅填补了棉花糖信号与开花调控领域的空白，其发现的GhTPS1–1/GhHXK1–1-GhPGI1–1互作模块，为通过代谢工程改良棉花花期提供了新思路。