棉花Phytoene synthase基因GbDYA调控类胡萝卜素积累赋予花药黄色并增强花粉抗氧化活性

本研究针对棉花花药颜色差异的遗传机制不明问题，通过图位克隆鉴定到调控深黄色花药的关键基因GbDYA（编码Phytoene synthase）。研究发现GbDYA通过激活类胡萝卜素合成通路基因表达，促进叶黄素、紫黄质等代谢物积累，且其表达受转录因子GbMYB105调控。该基因可增强花粉高温胁迫下的抗氧化能力，为棉花耐高温育种提供新靶点。

　　

在植物生殖生物学领域，花药作为花粉生产和储存的关键器官，其颜色特征长期以来被视为重要的形态标记。深黄色花药在吸引传粉昆虫和提高作物产量方面具有显著优势，然而这种表型形成的分子机制在棉花中尚未阐明。更关键的是，随着全球气候变暖加剧，高温胁迫导致的棉花花粉活力下降已成为制约产量的重要因素。类胡萝卜素作为天然抗氧化剂，其潜在的保护作用亟待深入探究。

南京农业大学的研究团队通过构建(G. hirsutum acc. TM-1 × G. barbadense acc. Hai7124)×TM-1的BC₁F₁分离群体（1810株），结合图位克隆和BSA-seq分析，将控制花药颜色的关键基因定位到A05染色体89-108 Mb区间。研究采用多组学联用策略，包括转录组测序（Illumina HiSeq 2000平台）、LC-MS/MS代谢组检测（UPLC-QTRAP? 6500+系统）、病毒诱导基因沉默（CLCrV-VIGS）以及双荧光素酶报告系统等关键技术，揭示了GbDYA基因的功能机制。

研究首先发现深黄色花药表型受单显性基因控制。通过精细定位在257 kb候选区间内锁定GB_A05G4102（命名为GbDYA），该基因编码类胡萝卜素合成限速酶Phytoene synthase（PSY）。比较基因组分析显示，TM-1中GhDYA基因第一外显子插入16,693 bp的长末端重复反转录转座子（LTR-RT）导致功能丧失。时空表达谱证实GbDYA在花药发育早期（开花前10-6天）特异性高表达。

代谢组分析表明，Hai7124花药中叶黄素、紫黄质、玉米黄质等类胡萝卜素含量显著高于TM-1。WGCNA共表达网络鉴定出746个与GbDYA协同表达的基因，其中转录因子GbMYB105（GB_A11G3511）通过结合GbDYA启动子区MYB顺式元件（AAGACAGTTAGTAAT）激活其表达，该互作经酵母单杂和双荧光素酶实验验证。

高温胁迫实验证实，含高类胡萝卜素的深黄色花药在40°C处理6小时后仍保持75%以上花粉活力，而浅黄色花药活力降至30%以下。生理指标检测显示，Hai7124花药的超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸（ASA）含量显著高于TM-1，丙二醛（MDA）积累量更低，表明类胡萝卜素通过增强抗氧化系统保护花粉免受氧化损伤。

该研究首次阐明PSY基因在棉花花药着色中的核心作用，解析了GbMYB105-GbDYA模块调控类胡萝卜素合成的分子通路。发现LTR-RT转座子插入导致基因功能丧失的进化事件，为植物花色变异提供了新见解。实践意义上，深黄色花药表型可作为高温耐受性的形态标记，为棉花抗逆育种和杂交种产量提升提供新策略。研究结果发表于《The Crop Journal》，为作物生殖发育与环境适应的分子设计育种奠定了理论基础。