ABA通过诱导酸性转化酶和蔗糖合酶基因表达促进甲哌鎓处理后棉花同化物向棉铃转运的机制研究

本刊推荐：为解决棉花栽培中甲哌鎓(MC)促进同化物向棉铃转运但机制不明的问题，研究人员开展了MC调控棉纤维发育的生理与分子机制研究。通过生理指标测定、转录组测序、外源ABA喷施和VIGS技术，发现MC通过上调GhNCED1A、GhNCED1B和GhVP14基因表达增加ABA含量，进而诱导酸性转化酶(INV)和蔗糖合酶(Sus)基因表达，增强酶活性，加速蔗糖分解为葡萄糖和果糖，促进纤维素合成，最终增加铃重。该研究揭示了MC增产的激素与酶学调控新机制，为棉花栽培中植物生长调节剂的合理应用提供了理论依据。

　　

棉花作为全球重要的经济作物，在非控制条件下容易过度营养生长，从而导致产量下降。因此，除了水肥管理，外源生长调节剂的应用成为棉花栽培中不可或缺的一环。甲哌鎓(Mepiquat chloride, MC)作为一种常用的植物生长调节剂，能够被叶片吸收并运输至各组织，有效改善棉花株型，塑造理想株型，提高产量。研究表明，MC应用能够调控植物生长，抑制过度营养发育，刺激生殖生长，促进开花，增加产量。此外，MC还能改变棉花冠层结构，促进叶片增厚，增强光合作用，提高光能利用率，改善冠层内气候，显著减少烂铃。最重要的是，MC能够增强同化物向棉铃的转运，这是产量提高的关键过程。然而，尽管MC的应用效果显著，其促进同化物转运的具体机制仍不清楚，尤其是MC如何调控棉纤维发育的生理与分子机制尚不明确。

近年来，越来越多的证据表明脱落酸(Abscisic acid, ABA)在调控籽粒发育和促进干物质积累中发挥重要作用。研究发现，ABA处理能够促进大麦籽粒中¹⁴C同化物的积累，ABA含量与灌浆速率呈正相关，ABA处理能够加速胚乳细胞分裂，增强灌浆速率。作为赤霉素生物合成抑制剂，MC也影响植物体内ABA水平。先前的研究发现，MC处理后棉铃壳和纤维中的ABA含量均有所增加，但ABA含量增加的动态变化及其与MC处理的关系尚未明确报道。ABA含量的变化主要与其生物合成、代谢、可逆糖基化和运输有关，但MC处理后ABA含量增加的具体途径尚不清楚。

另一方面，转化酶(Invertase, INV)和蔗糖合酶(Sucrose synthase, Sus)在调控同化物利用和分配中扮演关键角色，与纤维起始、伸长和产量密切相关。转化酶能够将转运至棉铃的蔗糖水解为葡萄糖和果糖，根据最适pH值分为酸性转化酶和碱性转化酶。酸性转化酶包括液泡转化酶(Vacuolar invertase, VIN)和细胞壁转化酶(Cell wall invertase, CWIN)，最适pH为4.0–5.5；碱性转化酶包括胞质转化酶(Cytoplasmic invertase, CIN)，最适pH为6.5–8.0。研究表明，VIN活性与棉纤维生长呈正相关，在纤维伸长期间比根、茎和叶中高4–6倍，而无绒突变体表皮中未检测到活性。CWIN和CIN活性较低，分别为VIN水平的40%和8%。蔗糖合酶可逆地催化蔗糖转化为尿苷二磷酸葡萄糖(Uridine diphosphate glucose, UDPG)和果糖，对纤维发育至关重要。研究表明，蔗糖合酶基因的缺失会导致纤维发育异常。因此，MC处理后酸性转化酶和蔗糖合酶活性的变化将直接影响蔗糖的分解和转运，进而与纤维发育密切相关。

ABA被报道能够调控大豆和水稻中酸性转化酶和蔗糖合酶的活性，但在棉花纤维中ABA是否诱导酸性转化酶和蔗糖合酶尚不清楚。因此，研究人员提出假设：MC通过增加ABA含量调控蔗糖合酶和酸性转化酶，从而增加铃重。为了验证这一假设，研究人员开展了一项综合研究，通过生理指标测定、转录组测序、外源ABA喷施和病毒诱导基因沉默(Virus Induced Gene Silencing, VIGS)技术，从表型、生理、激素和分子水平阐明MC促进同化物向棉铃转运的机制。该研究发表在《Industrial Crops and Products》上，为棉花栽培中植物生长调节剂的作用机制提供了新的视角。

为了开展这项研究，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，在河北河间市进行了田间试验，采用随机区组设计，在棉花初花期喷施MC（60 g/ha），以等量清水作为对照，并在处理后3–15天采集样品。生理指标测定包括叶绿素和类胡萝卜素含量测定、干重测定、内源激素含量测定（采用IAC-HPLC-UV法）、酶活性测定（包括蔗糖合酶、酸性和碱性转化酶活性）、碳水化合物分析（包括葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉含量）以及纤维素含量测定。转录组测序采用RNA-Seq技术，对MC处理后的棉纤维进行测序，通过DESeq2进行差异表达分析，并通过GO和KEGG进行功能富集分析。qRT-PCR用于验证RNA-Seq结果，采用2^-ΔΔCt方法计算基因表达变化。VIGS实验用于沉默关键基因（GhNCED1A、GhNCED1B、GhVP14和GhBGLU42），通过农杆菌介导的注射方法将pTRV载体导入棉花子叶，沉默效率通过qRT-PCR验证。数据统计采用SPSS 25进行LSD检验，显著性水平为P < 0.05。

3.1. MC处理后的表型特征

MC处理对棉株高度、株型和叶色有显著影响。与对照组相比，MC处理在10天和15天分别显著降低了株高7.1%和9.1%，使生长更加紧凑合理，形成理想株型。MC处理后3天，叶色发生显著变化，处理叶片颜色更深、更厚。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在处理后6–15天显著增加，其中叶绿素a增加10.0%–22.9%，叶绿素b增加11.6%–13.5%，类胡萝卜素在处理后12天最大增加41.2%。这表明MC对棉花光合作用有积极影响。

3.2. MC处理对铃重的影响

MC处理显著增加了棉铃干重。处理后9天开始显著增加，12天差异最大。将棉铃分为铃壳、纤维和种子后称重发现，各组分干重均显著增加，但增加时间略有不同。进一步分析增加干物质的分配比例发现，在处理后9–15天，增加干物质转运至纤维的比例最高，分别为48.24%、53.40%和60.45%，表明MC促进了同化物向纤维的转运。

3.3. MC处理后ABA含量的变化

MC处理后，叶片、铃壳和纤维中的ABA含量均增加。叶片中ABA含量先增加后下降，在处理后12天差异最明显，MC处理组ABA含量为362.5 ng/g，对照组为188.6 ng/g，几乎增加两倍。纤维中ABA含量在处理后3–15天显著增加，增幅为13.78%–64.67%。铃壳中ABA含量仅在处理后6天和12天显著增加，增幅为11.59%–14.66%。这表明MC处理显著提高了纤维中的ABA含量。

3.4. MC处理对蔗糖合酶和转化酶活性的影响

转化酶和蔗糖合酶活性在MC处理后迅速增加，在处理后12天达到峰值。蔗糖合酶活性在处理后6–15天增加3.48%–17.95%，酸性转化酶活性增加9.83%–25.44%。碱性转化酶活性也有所增加，但由于活性过低，未进行后续研究。这表明MC处理显著提高了纤维中蔗糖合酶和酸性转化酶活性。

3.5. MC处理对碳水化合物、淀粉和纤维素的影响

蔗糖含量在处理后3天最高（约6 mg/g），随后逐渐下降至1–2 mg/g。MC处理显著降低了处理后9–15天的蔗糖含量，与蔗糖合酶和转化酶活性呈负相关。葡萄糖和果糖含量在处理后3天约为13 mg/g，处理后6天增加近2倍。MC处理组葡萄糖和果糖含量在处理后6–15天显著增加，最大增幅约20%。淀粉含量呈下降趋势，但不低于对照组。纤维素含量在MC处理组逐渐增加，处理后6天起显著高于对照组。这表明增加的酸性转化酶和蔗糖合酶活性增强了蔗糖分解，为纤维素生物合成提供了更多葡萄糖和果糖。

3.6. 转录组数据分析

转录组分析发现，MC处理后3天和6天共有7751个差异表达基因(DEGs)。其中3天有5544个DEGs（2606个上调，2938个下调），6天有2007个DEGs（331个上调，1676个下调），324个DEGs在两个时间点共同调控。qRT-PCR验证了7个DEGs的表达模式与RNA-Seq结果一致。GO和KEGG富集分析显示，DEGs显著富集于类胡萝卜素生物合成、淀粉和蔗糖代谢、核糖体、内质网蛋白加工等通路。关键ABA生物合成基因（如GhNCED1A、GhNCED1B和GhVP14）上调，而代谢基因（如CYP707A和UGTs）下调。蔗糖合酶和酸性转化酶基因在MC处理后3天上调。

3.7. 外源喷施实验探讨ABA与蔗糖合酶和酸性转化酶的关系

外源ABA处理诱导了4个酸性转化酶基因和7个蔗糖合酶基因的显著上调。其中GhINV2和GhCWINV6在6小时和24小时上调，GhTIV1和GhINV3在12小时上调。蔗糖合酶基因中，GhSUS4A、GhSUS4D、GhSUS5B和GhSUS3在6小时上调，GhSUS4E和GhSUS5A在24小时上调，GhSUS4C在48小时上调。这表明ABA确实诱导了酸性转化酶和蔗糖合酶基因的表达。

3.8. VIGS实验

VIGS实验沉默GhNCED1A、GhNCED1B和GhVP14后，ABA含量显著降低，即使MC处理也无法完全恢复ABA水平。沉默GhBGLU42对ABA含量无显著影响。沉默GhNCED1A、GhNCED1B和GhVP14后，蔗糖合酶和酸性转化酶基因表达和活性显著降低，表明MC通过调控ABA生物合成上调酶基因表达。

研究结论和讨论部分强调，MC处理通过上调GhNCED1A、GhNCED1B和GhVP14基因表达增加ABA含量，进而诱导蔗糖合酶和酸性转化酶基因表达，增强酶活性，促进蔗糖分解为葡萄糖和果糖，为纤维素合成提供更多底物和能量，最终增加铃重。该研究首次从激素和酶学角度揭示了MC促进同化物转运的分子机制，为棉花高产栽培提供了理论依据和技术支持。此外，研究还发现细胞分裂素(Cytokinin, CTK)可能在棉纤维发育中扮演重要角色，未来需通过酵母单杂交实验进一步研究ABA转录因子与酶基因启动子的互作机制。