【The Plant Journal】棉花团队揭示棉花花药双重保护机制

　　

南湖新闻网讯（通讯员 高斌 陈美林）在自然界中，植物表皮覆盖的蜡质角质层是抵御干旱、强光和紫外线等环境胁迫的天然屏障。花药作为植物的雄性生殖器官，对外界环境变化极其敏感。一旦花药表面的保护屏障失效，极易导致花药失水、坏死并引发雄性不育。然而，植物如何通过精细的转录调控网络协调花器官的物理外包结构与微观化学屏障，此前在多倍体作物中尚不明确。

10月7日，华中农业大学棉花遗传改良团队在The Plant Journal杂志在线发表了题为“GhMYB106_D13 Coordinates Cuticle Biosynthesis to Build the Dual Shields for Anther Protection in Upland Cotton”的论文。该研究通过图位克隆与基因功能验证，明确了控制陆地棉花药脆弱表型（van）的基因GhMYB106_D13，并揭示了其作为主效调控因子，协同构建“化学防线”与“物理防线”双重盾牌以保护花药免受环境胁迫的核心机制。

陆地棉（Gossypium hirsutum）作为重要的异源四倍体经济作物，其基因组经历过复杂的多倍化演化。研究团队在前期在海岛棉和陆地棉种间杂交后代中发现了一个名为vulnerable anther（van）的突变体M247，其表现为花瓣闭合不严、上部花药在开花前暴露于阳光下并发生坏死。通过群体遗传定位和转基因验证，证实其候选基因为R2R3-MYB转录因子家族成员GhMYB106_D13（图1）。突变体中，该基因第一内含子的3'剪接位点发生G-to-A突变，导致第二外显子中出现1个碱基缺失，并使编码序列截短；而在黄褐棉（AD₄）中则是一个5354 bp的插入突变导致基因功能丧失。序列与表达分析表明，多倍体棉花中MYB106在A13和D13亚基因组上的差异性保留：在van突变体中，同源染色体上的两个拷贝均无功能；在表皮毛多的毛棉（AD₃）中，两个拷贝均有功能；在其他棉种中，则只保留了一个有功能的拷贝（图2）。

图1. van突变体的表型与候选基因克隆

图2. GhMYB106_D13在不同棉种中的分布与突变类型

为深入解析GhMYB106_D13的调控网络，研究人员结合转录组测序（RNA-seq）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）以及扫描电镜（SEM）等技术，对该基因的基因编辑敲除（KO）材料和过表达（OE）材料进行了系统分析。研究发现，GhMYB106_D13显著影响蜡质与角质层的生物合成途径。GC-MS结果显示，突变体的总蜡质含量显著下降了约27.6%，特别是抗失水核心成分的超长链烷烃（C24–C25）大幅减少；而过表达则导致蜡质大量积累。

在分子机制层面，双荧光素酶报告基因实验证实，GhMYB106_D13能够激活蜡质合成关键基因LACS1的表达；同时，转录组中FACR2、CYP704B1和HHT1等角质代谢相关基因也发生了动态改变。扫描电镜观察进一步证实，突变体花药表面的线状角质层纹理明显减少、变浅，而过表达材料则呈现出致密的角质层沉积。这构成了抵御干旱和紫外线的微观“第一道盾牌”。

除了微观的化学角质层，GhMYB106_D13还参与了宏观的表皮毛（Trichome）分化调控。研究表明，突变体叶片和花瓣上的毛状体密度显著降低，导致花瓣无法正常紧密闭合；而过表达则显著促进了叶片、花瓣及种子（短绒纤维）表皮毛的分化。这种由毛状体交织构成的“魔术贴”结构，在开花前将花瓣紧密锁合，在物理上将花药安全隔离在花蕾内部，构成了宏观的 “第二道盾牌”。环境响应实验还进一步表明，该基因的表达能够被自然阳光和UV-B强烈诱导，赋予植物应对外界环境损伤的动态适应能力。

图3. GhMYB106_D13介导的花药双重保护机制

综上所述，这项研究揭示了GhMYB106_D13作为主效调控因子的“双重防御”功能：它一方面通过激活VLCFA和烷烃合成途径构建微观的化学防线，另一方面通过驱动表皮毛分化构建宏观的物理包被结构，协同解决了植物生殖器官在复杂多变环境下的安全防护问题，也为未来抗逆高产作物育种提供了重要的理论基础与基因资源。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室已毕业博士高斌和在读博士生陈美林为该论文的共同第一作者，林忠旭教授为通讯作者，团队带头人张献龙教授参与了该研究的指导工作。本研究得到了新疆人才发展基金张献龙院士工作站（XL202403-02）项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.71142

英文摘要：The plant cuticle acts as a crucial barrier against abiotic stresses. In this study, the vulnerable anther (van) gene on chromosome D13 was map-based cloned in upland cotton and identified as GhMYB106_D13. It was demonstrated that the differential distribution of MYB106 between D13 and A13 may represent post-polyploidization convergent evolutionary events. Transcriptome analysis, metabolic profiling, and microscopic examination of anther cuticle in GhMYB106_D13 over-expression and knockout lines revealed that GhMYB106_D13 affects the wax and cuticle biosynthesis pathway. GC-MS analysis demonstrated that the loss of GhMYB106_D13 resulted in an ~27.6% reduction in total wax load, predominantly characterized by a decrease in very-long-chain alkanes, whereas overexpression (OE) led to wax accumulation. Key genes involved in the pathway including FACR2, LACS1, HHT1, and PXG4 were found to be changed dynamically. Specifically, GhMYB106_D13 likely activates the expression of LACS1, a gene involved in wax synthesis that was downregulated in Stage-8 anthers of the Ghmyb106_D13 mutant. Meanwhile, upregulation of FACR2, CYP704B1, and HHT1 was suggested to be potentially involved in cuticle metabolism, possibly through altered 16-feruloyloxypalmitic acid (16-FA) level. Thus, GhMYB106_D13 contributes to the formation of the first protective ‘shield’ for the anther against external stresses. Additionally, GhMYB106_D13 participates in trichome differentiation, which constitutes a second ‘shield’ that encloses the petals and sequesters the anther in the bud before flowering. Overall, these findings unveil the dual function of GhMYB106_D13 in physical protection of plant propagation and offer valuable insights for future strategies aimed at improving stress tolerance in crops.