（通訊員 覃元）棉花屬于錦葵科（family Malvaceae）棉屬（Gossypium），其主産品棉纖維是目前應用最廣泛的天然紡織原料。棉纖維是單細胞結構，由胚珠表皮細胞突起後不斷伸長而形成。棉花開花前後，胚珠表皮細胞突起産生長絨纖維（Lint），即成熟後的皮棉，但隻有約25%的表皮細胞可分化形成長絨。每粒種子上起始的長絨纖維數量越多，意味着棉纖維産量越高。然而，調控長絨纖維起始分化的分子機制尚未完全解析。
2022年8月29日，國際知名雜志Plant Biotechnology Journal在線發表了我校棉花遺傳改良創新團隊題為“Single-cell RNA-seq reveals fate determination control of an individual fiber cell initiation in cotton (Gossypium hirsutum)”的研究論文。這項工作首次在單細胞水平解析棉纖維分化起始調控網絡及機制，提供了涵蓋纖維細胞起始及早期伸長過程（纖維細胞分化、擴散生長和極性生長）的全基因組規模的基因表達圖譜，并提出了單個纖維細胞早期發育的分子調控模型。
本團隊前期為了簡化纖維突變體的遺傳背景，以陸地棉Xu142及其光子突變體Xu142 fl為親本進行雜交，得到了3份遺傳背景高度相似的纖維突變體姊妹系（Hu et al, 2018, Plant Biotechnol J）。利用單細胞轉錄組測序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq），從具有野生型表型的Xu142_LF纖維起始4個階段（開花前1.5、1、0.5天和開花當天）的胚珠外珠被中共鑒定出14,535個細胞。基于纖維marker基因表達模式分析和RNA原位雜交結果，将這些細胞定義為3個主要的細胞類型，即纖維細胞、非纖維表皮細胞和外色素層細胞。對Xu142和突變體Xu142 fl胚珠的scRNA-seq數據進行比較分析，進一步定義了纖維細胞類型（圖1）。
圖1 棉花0 DPA胚珠單細胞轉錄組測序及細胞類型定義
纖維細胞的發育軌迹分析顯示，纖維起始可以細分為幾個連續但特征明顯的過程。胚珠表皮細胞在-1.5 DPA（開花前一天半）時有部分細胞處于前體纖維細胞狀态，前體纖維細胞在-1 DPA時分化為纖維細胞，随後開始擴散生長（diffuse growth），在-0.5 DPA時開始突起，然後0 DPA時從轉錄水平上開始向極性生長（tip-biased diffuse growth）轉變（圖2）。
圖2 纖維細胞的發育軌迹
本研究分别對四個樣本（-1.5、-1、-0.5、0 DPA）進行了權重基因共表達網絡分析（WGCNA）。按轉錄因子對網絡中的基因進行過濾，分别得到四個階段參與纖維起始的轉錄因子調控網絡，從而揭示了這些過程中分别發揮作用的核心轉錄因子的時空表達模式。其中MYB25-like 在-1 DPA開始高表達，CRISPR轉基因實驗證明該基因決定纖維分化；HOX3 在0 DPA開始高表達，轉基因實驗證明該基因并不影響纖維分化與突起，但決定纖維細胞能否極性生長。此外，對表皮特異因子PDF2的CRISPR驗證表明其功能缺失導緻0 DPA胚珠表皮突起細胞數量顯著減少（圖3）。
圖3 棉花MYB25-like、PDF2和HOX3基因的功能驗證
結合纖維細胞發育軌迹分析、TF調控網絡以及網絡核心因子的功能驗證，本研究提出了一個基于單細胞水平的纖維起始模型。單個纖維細胞依次經曆細胞分化、擴散生長和極性生長的過程，每個過程由不同的核心因子調控（圖4）。
圖4 單個纖維細胞早期發育的分子調控模型
本研究借助 scRNA-seq 技術和多階段精細采樣策略，描繪出了纖維起始過程中的長絨纖維細胞分化、擴散生長和極性生長各個階段。通過基因調控網絡分析和基于CRISPR-Cas9的轉基因功能驗證，MYB25-like基因被新定義為作用于纖維細胞分化的指揮官。此外，HOX3基因被證明為控制纖維細胞轉向極性生長的另一個指揮官。重新分析整合前期拟南芥葉片毛狀體相關文獻，發現其和棉花纖維細胞分化和極性生長的調控時空模式整體相似，關鍵調控因子相似但不相同。本研究的結果不僅定義了更精細和詳盡的纖維起始階段，還提供了胚珠單細胞表達圖譜資源，這将有助于進一步探索纖維發育、植物毛狀體分化和單細胞命運決定的機制，可為棉花産量遺傳改良提供理論依據，從而有利于提升植棉的經濟效益。
77779193永利官网作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北洪山實驗室的棉花遺傳改良創新團隊塗禮莉教授為論文通訊作者，團隊已出站博士後覃元（現就職于長江大學）和博士研究生孫夢玲為論文共同第一作者，棉花團隊帶頭人張獻龍教授指導該研究的設計和實施。該研究得到了國家自然科學基金重點、面上項目（31830062，31901576）和77779193永利官网交叉科學研究院資助項目(2662021JC005)的經費支持。
原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13918
參考文獻：
1. Hu H, Wang M, Ding Y, Zhu S, Zhao G, Tu L, Zhang X. Transcriptomic repertoires depict the initiation of lint and fuzz fibres in cotton (Gossypium hirsutum L.). Plant Biotechnol J. 2018; 16:1002-1012.
2. Qin Yuan, Sun M, Li W, Xu M, Shao L, Liu Y, Zhao G, Liu Z, Xu Z, You J, Ye Z, Xu J, Yang X, Wang M, Lindsey K, Zhang X, Tu L. Single-cell RNA-seq reveals fate determination control of an individual fiber cell initiation in cotton (Gossypium hirsutum). Plant Biotechnol J. 2022; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13918
審核人：塗禮莉
