棉花转录因子YP通过增强油菜素甾醇依赖的细胞扩张正向调控花瓣大小

《Plant Physiology and Biochemistry》：The cotton transcription factor YP positively regulates petal size by enhancing brassinosteroid-dependent cell expansion

　　

棉花花瓣的快速伸长阶段发生在-1 DPA至0 DPA之间。GhYP和GaYP促进花瓣细胞扩张和花瓣生长。GhYP在不发生可检测的直接启动子结合的情况下调控BR生物合成基因。BR生物合成正向调控花瓣表皮细胞扩张。花瓣是重要的花器官，通过其大小和颜色为传粉者提供关键视觉线索。越来越多的证据证实花瓣大小增加与传粉者访问增加之间存在正相关关系（Ashman 2000；Glaettli et al. 2008；Ehmet et al. 2026）。对于观赏植物而言，园艺育种家一直将花瓣大小视为关键育种目标，其驱动力来自市场价值和消费者偏好（Guan et al. 2025）。此外，花瓣大小是遗传力高且环境敏感性低的性状（Qian et al. 2021；Abraham et al. 2013）。因此，花瓣大小的遗传调控一直是植物发育生物学的核心问题。花瓣发育包括四个主要阶段：起始、身份决定、形态发生和成熟（Shan et al. 2019）。形态发生涉及花瓣大小和形状的渐进变化，这些变化主要由两个细胞过程决定：细胞分裂和细胞扩张。具体而言，细胞分裂决定总细胞数，而细胞扩张控制细胞大小。多项研究表明，细胞分裂驱动早期花瓣生长，但其活性随时间逐渐局限于远端区域（Dinneny et al. 2004；Guan et al. 2025）。与此同时，细胞扩张随后逐渐成为主要生长驱动力，并持续主导至花朵开放（Yamada et al. 2009；Koning 1984；Kenis et al. 1985）。因此，在许多情况下，最终花瓣大小在很大程度上取决于细胞扩张。关于花瓣细胞分裂的调控已有大量研究（Huang et al. 2016）。在花瓣细胞扩张方面，近期研究强调转录因子（TFs）和多种植物激素是花瓣发育过程中的关键调控因子。在玫瑰中，R2R3-MYB抑制因子RhMYB70通过抑制细胞扩张减小花瓣大小，其作用机制涉及赤霉素（GA）生物合成途径的调控（Gong et al. 2025）。相比之下，另一个玫瑰R2R3-MYB因子RhMYB6通过激活细胞伸长基因促进花瓣生长，该效应被生长素响应因子RhARF2抵消（Chen et al. 2023）。在拟南芥中，1R-MYB因子DRMY1通过调控乙烯和/或ABA信号正向调控花瓣细胞扩张（Wu et al. 2019）。除MYB外，其他TF家族也参与这一过程。例如，玫瑰NF-YC转录因子RhNF-YC9通过介导乙烯-赤霉素串扰作为花瓣细胞扩张的正调控因子（Chen et al. 2020）。在非洲菊中，茉莉酸促进bHLH基因GhBPE的表达，该基因进而抑制舌状花瓣细胞扩张（Jiang et al. 2022）。尽管取得了这些进展，花瓣细胞扩张背后的复杂调控网络仍 largely 未被探索。棉花（Gossypium spp.）因其纤维和种子生产而具有商业价值。棉花通常着生五瓣花，花瓣大小的变异可影响结铃（Huang et al. 2021a）。近期大量研究聚焦于棉花花瓣着色，而花瓣大小的遗传基础仍未阐明（Hu et al. 2024；Chai et al. 2023；Abid et al. 2022）。研究人员此前的研究鉴定出GhYP——一个第6亚组R2R3-MYB基因——作为陆地棉（G. hirsutum）黄色着色和花瓣大小的调控因子（Li et al. 2023）。在本研究中，研究人员检测了陆地棉花瓣伸长动力学，发现GhYP主要在快速伸长阶段（-1至0 DPA的10:00）发挥作用。在ghyp突变体中，花瓣生长在0 DPA的06:00提前停止。对转基因棉花和烟草花瓣的细胞学分析进一步揭示，YP（GhYP和GaYP）通过刺激细胞扩张促进花瓣扩张。整合转录组、代谢组和挽救实验表明，ghyp花瓣中BR生物合成受损，外源BR施用挽救了小花表型。双荧光素酶（Dual-LUC）和酵母单杂交（Y1H）实验证实，GhYP在不发生直接物理结合的情况下调控BR生物合成基因的启动子活性。综上，这些结果将YP定义为连接BR生物合成与花瓣大小控制的正调控因子，揭示了棉花花瓣发育的新机制。

论文解读：棉花转录因子YP通过增强油菜素甾醇依赖的细胞扩张正向调控花瓣大小

一、研究背景与科学问题

花瓣作为花器官的重要组成部分，通过其大小和颜色为传粉者提供关键视觉线索。大量证据表明，花瓣大小的增加与传粉者访问频率的提升呈正相关关系，在观赏植物育种中，花瓣大小更是被长期视为核心育种目标，直接关联市场价值与消费者偏好。此外，花瓣大小属于遗传力高、环境敏感性低的性状，因此其遗传调控机制一直是植物发育生物学领域的核心科学问题。花瓣发育可划分为起始、身份决定、形态发生和成熟四个主要阶段，其中形态发生阶段涉及花瓣大小和形状的渐进变化，主要由细胞分裂和细胞扩张两个细胞过程决定。已有研究表明，细胞分裂驱动早期花瓣生长，但其活性随时间逐渐局限于远端区域，而细胞扩张随后逐渐成为主要生长驱动力并持续至花朵开放，因此在多数情况下最终花瓣大小主要取决于细胞扩张。在花瓣细胞扩张的调控研究中，转录因子和多种植物激素已被确认为关键调控因子，如在玫瑰中R2R3-MYB抑制因子RhMYB70通过调控赤霉素生物合成途径抑制细胞扩张从而减小花瓣大小，RhMYB6则通过激活细胞伸长基因促进花瓣生长；在拟南芥中1R-MYB因子DRMY1通过调控乙烯和/或脱落酸信号正向调控花瓣细胞扩张；在非洲菊中茉莉酸通过促进bHLH基因GhBPE表达抑制舌状花瓣细胞扩张。然而，花瓣细胞扩张背后的复杂调控网络仍 largely 未被阐明。棉花作为具有重要商业价值的纤维和种子作物，其花瓣大小变异可影响结铃，但以往研究多聚焦于花瓣着色，花瓣大小的遗传基础长期未得到系统研究。研究人员此前已鉴定出GhYP——一个第6亚组R2R3-MYB基因——作为陆地棉黄色着色和花瓣大小的调控因子，本研究在此基础上深入探究GhYP调控棉花花瓣大小的分子机制。

二、研究内容与主要结论

研究人员以陆地棉野生型受体YZ1、ghyp突变体和ghfls突变体为材料，系统研究了GhYP在花瓣发育中的功能。研究发现，GhYP主要在花瓣快速伸长阶段（-1至0 DPA的10:00）发挥作用，ghyp突变体中花瓣生长在0 DPA的06:00提前停止，最终花瓣面积较野生型显著减小。细胞学分析表明，GhYP通过促进表皮细胞扩张来增大花瓣面积，而非通过影响细胞数量。在ghyp突变体中，花瓣不同区域（顶部、中部、基部）的表皮细胞均出现面积显著减小，但各区域细胞形态变化模式存在差异。异源表达实验证实，亚洲棉同源基因GaYP在烟草花瓣中过表达后，转基因花瓣面积增加约22.54%至34.57%，表皮细胞长度、宽度和面积均显著增大，进一步验证了YP促进花瓣细胞扩张的功能。转录组分析显示，ghyp突变体花瓣中油菜素甾醇生物合成途径基因表达显著下调，代谢组测定证实ghyp花瓣中油菜素甾醇含量显著降低，其中活性形式油菜素甾酮含量较野生型分别下降21.88%、39.24%和51.82%。外源施用24-表油菜素内酯可浓度依赖性地挽救ghyp突变体小花表型，在0.52 μM浓度下花瓣面积增加27.18%，表皮细胞面积增加87.50%，恢复至野生型水平的87.81%。双荧光素酶实验表明GhYP_At可显著反式激活GhCYP90A1和GhCYP85A2基因启动子，GhYP_Dt对GhCYP90A1启动子具有激活作用但对GhCYP85A2启动子具有抑制作用，然而酵母单杂交实验未检测到GhYP与这些基因启动子的直接物理结合，提示GhYP可能通过中间转录因子或信号模块间接调控BR生物合成基因的表达。

三、主要技术方法

本研究采用了多种关键技术方法。材料方面，使用了陆地棉野生型YZ1、ghyp突变体和ghfls突变体，以及普通烟草Hongda和本氏烟草。主要技术包括：花瓣伸长动力学分析和表皮细胞形态学观察（采用激光共聚焦显微镜和ImageJ图像分析）；转录组测序（RNA-Seq）结合加权基因共表达网络分析（WGCNA）；油菜素甾醇含量测定（采用超高效液相色谱-串联质谱联用技术LC-MS/MS）；外源24-表油菜素内酯施用实验；双荧光素酶报告基因检测（Dual-LUC）和酵母单杂交（Y1H）实验；农杆菌介导的烟草遗传转化。

四、研究结果

3.1 陆地棉中敲除GhYP导致花瓣生长提前停止。 通过比较ghyp和ghfls突变体的花瓣发育进程，研究人员发现ghyp花瓣面积从-3 DPA起显著小于ghfls，其花瓣扩张在0 DPA的06:00提前停止，而ghfls可正常生长至0 DPA的10:00，最终ghyp-2和ghyp-11花瓣面积分别减少26.55%和33.74%。

3.2 YP通过促进细胞扩张增大棉花花瓣大小。 对S3阶段花瓣表皮细胞的显微观察显示，ghyp花瓣顶部和基部细胞宽度减小、长宽比增大，中部细胞长度和宽度均减小、长宽比降低，各区域细胞面积均显著减小，同时细胞数量增加。ghfls花瓣细胞形态、大小和数量均与野生型一致。烟草异源表达实验证实GaYP过表达可显著增大花瓣面积和表皮细胞面积。

3.3 ghyp花瓣中BR生物合成基因表达和BR含量显著降低。 WGCNA分析鉴定出与花瓣面积显著相关的MEbrown、MEblue和MEred三个模块，其中MEbrown模块富集于BR生物合成途径。ghyp花瓣中多个BR生物合成基因表达下调，活性BR油菜素甾酮含量在三个发育阶段均显著降低，四种BR中间体中有三种含量显著下降。相关性分析显示GhCYP90A1和GhCYP90C1基因表达与CS和28-norCS含量呈强正相关。

3.4 外源24-EBL挽救ghyp突变体花瓣大小减小表型。 外源施用0.21 μM和0.52 μM 24-EBL可显著促进ghyp花瓣生长，其中0.52 μM处理下花瓣面积增加27.18%，与野生型无显著差异，表皮细胞面积增加87.50%，恢复至野生型水平的87.81%。

3.5 GhYP在不发生可检测启动子结合的情况下调控BR生物合成基因。 双荧光素酶实验显示GhYP_At显著激活GhCYP90A1和GhCYP85A2启动子，GhYP_Dt激活GhCYP90A1启动子但抑制GhCYP85A2启动子。然而酵母单杂交实验未检测到GhYP_At和GhYP_Dt与这两个基因启动子的直接结合，表明GhYP可能通过间接机制调控BR生物合成基因表达。

五、讨论与结论

本研究表明，GhYP通过不依赖黄酮醇的途径调控棉花花瓣大小。尽管ghyp和ghfls突变体均表现出黄酮醇含量降低，但仅ghyp出现花瓣和表皮细胞显著减小，证明GhYP对花瓣大小的调控并非通过黄酮醇途径实现。研究人员提出GhYP可能通过中间转录因子或信号模块间接调控BR生物合成，这种层级调控模式可能赋予BR稳态更大的灵活性和信号整合能力。值得注意的是，GhYP的At和Dt亚基因组同源物在调控BR生物合成基因方面表现出功能分化，可能与其C末端区域的氨基酸差异或所招募的中间因子差异有关。此外，ghyp花瓣中脂肪酸延伸和角质、软木脂、蜡质生物合成基因也显著下调，这些基因编码的3-酮脂酰辅酶A合酶（KCS）催化超长链脂肪酸（VLCFA）合成的限速步骤，其表达降低可能共同导致表皮细胞大小减小。ghyp突变体中细胞数量增加的现象可能与细胞伸长受损和/或细胞形态发生缺陷相关，多个调控细胞有丝分裂的CycD基因在ghyp花瓣中显著上调，提示GhYP可能通过调控这些基因抑制细胞分裂。在棉花快速伸长的花瓣中仅检测到油菜素甾酮而检测不到油菜素内酯，尽管催化油菜素甾酮和油菜素内酯合成的CYP85A2基因在花瓣中高表达，提示存在组织特异性的BR代谢调控机制。系统发育分析显示YP与促进纤维伸长的GhMYB109具有高度序列相似性，而与纤维起始和次生壁增厚相关的转录因子存在明显序列差异，表明棉花中参与细胞伸长的R2R3-MYB转录因子在序列上保守并可能具有功能相似性。综上所述，YP是棉花花瓣大小的新型正调控因子，通过促进BR生物合成增强表皮细胞扩张进而增大花瓣大小，这一发现为棉花花瓣发育的分子机制提供了新见解。