棉花基因GhHAT5与GhCRK29异位表达促进拟南芥胚胎发育的机制研究及其在体细胞胚发生中的应用价值

本研究针对棉花体细胞胚发生（SE）效率低、机制不明的问题，通过异位表达策略在拟南芥中验证了棉花基因GhHAT5和GhCRK29的功能。研究发现GhHAT5促进顶端胚胎上胚层细胞和子叶发育，GhCRK29促进下胚层细胞和胚根发育，并可能通过激活AtSCR基因调控胚胎发育。该研究为棉花SE机制解析和遗传改良提供了重要靶点，对提升工业作物性状和农业可持续性具有重要意义。

　　

棉花作为重要的工业作物，在纺织、制药和生物能源等领域具有广泛应用。然而，其遗传改良的关键技术——体细胞胚发生（Somatic Embryogenesis, SE）仍存在效率低、机制不清的瓶颈问题。体细胞胚发生与合子胚发生（Zygotic Embryogenesis, ZE）在发育过程和分子机制上高度相似，这为通过模式植物研究棉花SE相关基因的功能提供了可能。近年来，空间转录组学等新技术的应用为解析棉花体细胞胚胎发育的细胞特异性调控网络提供了宝贵资源。

在这项发表于《Journal of Cotton Research》的研究中，研究人员基于前期棉花体细胞胚胎的空间转录组数据，筛选出在子叶细胞中特异性高表达的GhHAT5和在表皮细胞中特异性高表达的GhCRK29两个关键基因。为了验证这些基因的功能，研究团队采用了跨物种功能验证策略，通过构建35S::GhHAT5和35S::GhCRK29过表达载体，转化拟南芥野生型（Col-0），获得了稳定遗传的转基因株系。

研究采用的主要技术方法包括：基因克隆与载体构建、农杆菌介导的拟南芥遗传转化、半定量和定量RT-PCR基因表达分析、显微镜胚胎形态观察、系统进化树构建等。样本来源为棉花品种CCRI 24的体细胞胚胎和拟南芥转基因植株的合子胚胎。

GhHAT5过表达在拟南芥合子胚胎中促进顶端胚胎上胚层细胞和胚胎子叶发育

研究人员通过形态学观察发现，在胚胎发育早期（5 DAP），35S::GhHAT5植株的顶端胚胎上胚层细胞已经开始显著分裂，而野生型植株的相应细胞尚未开始明显分裂。到6 DAP时，35S::GhHAT5胚胎已经显示出明显的子叶原基，而野生型胚胎则缺乏子叶原基。测量数据显示，在4-6 DAP期间，35S::GhHAT5胚胎的上胚层细胞面积显著大于野生型，特别是在5 DAP和6 DAP时差异最为显著。在7 DAP和8 DAP时，35S::GhHAT5胚胎的子叶面积也显著大于野生型。这些结果表明GhHAT5异位表达能够促进拟南芥胚胎发生过程中顶端胚胎上胚层细胞和胚胎子叶的发育。

GhCRK29过表达在拟南芥合子胚胎中促进顶端胚胎下胚层细胞和胚胎胚根发育

同样地，对GhCRK29的功能分析表明，在5 DAP时，35S::GhCRK29植株的顶端胚胎上下胚层细胞都已经开始显著分裂，而野生型植株的相应细胞分裂不明显。到6 DAP时，35S::GhCRK29植株顶端胚胎的下胚层细胞数量显著多于野生型。在7 DAP和8 DAP时，35S::GhCRK29和野生型植株的顶端胚胎上下胚层细胞在分化方向上出现明显差异，形成了清晰的胚根和子叶结构。测量数据显示，在3-6 DAP期间，35S::GhCRK29胚胎的下胚层细胞面积大于野生型，特别是在6 DAP时差异显著。在7 DAP和8 DAP时，35S::GhCRK29胚胎的胚根长度也显著大于野生型。这些结果表明GhCRK29异位表达能够促进拟南芥胚胎发生过程中顶端胚胎下胚层细胞和胚胎胚根的发育。

GhHAT5和GhCRK29可能通过促进拟南芥内源基因AtSCR的表达来调控胚胎发育

为了探究GhHAT5和GhCRK29调控胚胎发育的机制，研究人员检测了拟南芥胚胎发育关键基因AtSCR在转基因植株中的表达水平。研究发现，在5 DAP的胚胎中，35S::GhHAT5和35S::GhCRK29转基因拟南芥系的AtSCR转录水平显著高于野生型。这表明GhHAT5和GhCRK29可能通过激活AtSCR的表达来参与胚胎发育的调控。

研究结论和讨论部分强调，GhHAT5和GhCRK29在拟南芥合子胚胎发育中发挥着重要作用，可能通过调节AtSCR的表达来参与胚胎发育调控。系统进化和保守结构域分析表明，棉花GhHAT5和GhCRK29与它们的拟南芥同源物具有密切的进化关系，这些基因在进化过程中保持了关键功能。鉴于SE和ZE之间存在的相关性，这些发现为研究GhHAT5和GhCRK29在棉花体细胞胚胎发育中的功能奠定了基础。

该研究的重要意义在于为棉花体细胞胚发生的分子机制提供了新的见解，鉴定出的关键基因为提高棉花遗传转化效率和加速具有优良农艺性状的转基因棉花品种生产提供了潜在的分子靶点。未来研究应着重阐明GhHAT5/GhCRK29与AtSCR之间的精确分子机制，包括研究潜在的直接转录调控或蛋白质-蛋白质相互作用，这将为了解它们在胚胎发育中的作用提供更深入的见解。

需要注意的是，虽然研究结果表明GhHAT5和GhCRK29可能通过调节AtSCR参与胚胎发育，但直接实验证据（如证明GhHAT5/GhCRK29与AtSCR启动子的结合或物理相互作用）仍需进一步验证以建立因果调控联系。