PSY4介导的类胡萝卜素生物合成赋予棉花黄色花药并增强其耐热性

本研究针对栽培异源四倍体棉花（Gossypium）花药颜色分化的遗传基础不明问题，通过比较转录组学、GWAS和功能验证，首次鉴定出GbPSY4是调控海岛棉（G. barbadense）黄色花药类胡萝卜素合成的关键基因，并发现GhPSY4_At结构变异导致陆地棉（G. hirsutum）白色花药表型。该研究揭示了PSY4通过调控类胡萝卜素合成通路不仅决定花药颜色，还能增强花粉高温胁迫下的活力，为棉花抗逆育种提供了新靶点。

　　

在植物繁殖过程中，花药颜色不仅是吸引传粉者的视觉信号，更与花粉发育和环境适应性密切相关。然而，同为重要经济作物的四倍体棉花中，海岛棉（Gossypium barbadense）呈现标志性黄色花药，而陆地棉（G. hirsutum）却多为白色，这种种间差异的遗传机制长期未明。随着全球气候变暖加剧，高温胁迫导致的花粉不育已成为制约棉花产量的关键因素，而类胡萝卜素作为天然抗氧化剂，其潜在的热保护功能在棉花中尚未被系统阐释。

河南大学的研究团队通过多组学联用技术揭开了这一科学谜题。研究人员首先利用高效液相色谱（HPLC）技术锁定黄色花药中的主要色素为叶黄素等类胡萝卜素。比较转录组分析发现，编码八氢番茄红素合成酶（Phytoene Synthase, PSY）的GbPSY4基因在花药转色期特异性高表达。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）和原核表达系统验证，证实GbPSY4具有催化类胡萝卜素合成的酶活性。全基因组关联分析（GWAS）进一步在1245份陆地棉种质中定位到GhPSY4_At基因座，其16.8 kb的结构变异（SV）导致白色花药表型。令人振奋的是，携带功能型PSY4等位基因的黄色花药材料，在39°C高温下花粉活力显著高于白色花药材料，首次建立了花药颜色与耐热性的直接关联。

关键技术方法包括：1）基于HPLC的类胡萝卜素成分分析；2）跨发育时期的花药比较转录组测序；3）GWAS结合单倍型分析；4）烟草瞬时表达系统进行亚细胞定位；5）大肠杆菌（E. coli）异源表达系统验证酶功能；6）病毒诱导基因沉默（VIGS）技术进行功能缺失验证；7）高温胁迫下的花粉活力测定体系。

研究结果部分：

1. 类胡萝卜素谱分析揭示海岛棉黄色花药中叶黄素占主导地位，且合成关键期在花药发育早期。
2. 转录组动态显示GbPSY4在转色期表达量激增200倍，与类胡萝卜素积累曲线高度吻合。
3. 系统进化分析发现PSY4为棉族特有分支，与保守的PSY2同源基因分化于多倍化事件之前。
4. 功能验证实验证实GbPSY4定位于质体，能催化β-胡萝卜素合成，沉默该基因导致花药颜色变浅。
5. GWAS定位到GhPSY4_At基因座，其结构变异导致外显子重排，使陆地棉丧失花药特异表达模式。
6. 地理分布分析显示功能性PSY4等位基因在中国南方高温高湿地区显著富集。

讨论与意义：
该研究首次阐明PSY4作为棉花花药特异表达的类胡萝卜素合成限速酶，其功能获得与丢失直接决定种间和种内花药颜色分化。从进化角度看，PSY4可能起源于PSY2的古老复制事件，在棉族中演化出新的组织特异性功能。16.8 kb SV的发现为理解作物驯化过程中代谢通路简化提供了典型案例——现代育种可能无意中丢弃了有益的抗逆性状。更重要的是，该研究突破性地将花药颜色这一形态标记与耐热性联系起来，为应对气候变化下的棉花育种提供了分子靶点。通过基因编辑恢复GhPSY4_At功能或导入海岛棉优异等位基因，有望培育出兼具高产和高温适应性的棉花新品种。

这项由Yujie Wang和Daowu Hu作为共同第一作者完成的研究，不仅解决了棉花花药颜色分化的遗传学问题，更开辟了通过调控次级代谢提升作物抗逆性的新思路，相关成果发表在植物学领域权威期刊《The Crop Journal》上。