棉花EPF/EPFL-GhER1-GhSERK17信号模块调控气孔发育与干旱耐受性的机制研究

本研究针对棉花抗旱性提升的育种需求，系统鉴定了棉花中表皮模式因子EPF/EPFL及其受体ERECTA、TMM和SERK基因家族，首次揭示了GhEPFL1-1通过直接结合GhER1并招募共受体GhSERK17形成复合体调控气孔密度的分子机制。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）和荧光互补实验证实该模块负调控气孔发育，为棉花抗旱育种提供了新靶点。

　　

在气候变化加剧的背景下，干旱已成为制约棉花产量的关键因素。作为植物与外界环境交互的"门户"，气孔的密度和分布直接影响作物的水分利用效率。尽管拟南芥中EPF/EPFL-ERECTA信号通路调控气孔发育的机制已被阐明，但在全球重要经济作物棉花中，这一关键通路仍如"未解密码"，严重限制了通过分子设计改良棉花抗旱性的进程。

新疆大学生命科学与技术学院（新疆生物资源与基因工程重点实验室）的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究，首次在四倍体陆地棉（Gossypium hirsutum）中系统鉴定了135个EPF/EPFL、18个ERECTA、6个TMM和90个SERK家族基因。通过多组学分析和功能验证，揭示了GhEPFL1-1-GhER1-GhSERK17模块调控气孔发育与干旱响应的分子机制。

研究采用基因组共线性分析和系统发育树构建解析基因家族进化规律；通过启动子顺式元件预测和转录组分析筛选胁迫响应候选基因；运用病毒诱导基因沉默（VIGS）技术构建GhEPFL1-1、GhER1和GhSERK17的沉默株系；结合双分子荧光互补（LCI）和分子对接验证蛋白互作网络。

基因家族进化与表达特征

通过比较基因组学发现，四倍体棉花中ERECTA和SERK基因数量显著多于二倍体，提示多倍化事件驱动了受体激酶的扩张。GhER1与拟南芥AtERECTA聚为一支，而GhSERK17与AtSERK3/BAK1同源，暗示功能保守性。胁迫表达谱显示GhEPFL1-1、GhER1和GhSERK17在干旱处理6-12小时显著上调。

VIGS验证生理功能

沉默株系表现出气孔密度增加40%-60%（图9C），叶绿素含量降低35%，SOD和POD酶活性下降（图10）。干旱处理后，沉默植株出现严重萎蔫（图9B），H₂O₂和MDA含量激增，证实该模块通过调控抗氧化系统增强抗旱性。

蛋白互作机制解析

LCI实验显示GhEPFL1-1与GhER1胞外区直接结合（图11C），GhER1进一步通过激酶结构域招募GhSERK17形成三元复合体（图11D）。分子模拟发现互作界面由保守的半胱氨酸残基和LRR（富含亮氨酸重复序列）结构域介导（图11A-B）。

该研究首次绘制了棉花EPF/EPFL-ERECTA信号网络的完整图谱，阐明GhEPFL1-1作为配体激活GhER1-GhSERK17受体复合体，通过抑制气孔过度发生来维持水分平衡的分子路径。这一发现不仅填补了棉花肽激素信号转导领域的空白，更为分子设计抗旱棉花品种提供了精准的遗传操作靶点——通过调控该信号模块的表达水平，有望实现气孔发育的精准编程，在不减产的前提下提高棉花的水分利用效率。研究建立的VIGS技术体系也为棉花功能基因组研究提供了重要工具。