棉花（Gossypium spp.）作為一種主要的經濟作物和重要的紡織材料，在全球範圍内被廣泛種植。除了大家熟知的白色棉花以外，彩色棉同樣具有悠久的曆史，早在明清時期就作為時尚單品風靡一時，據史料記載，彩棉織就的紫花布衣曾經一度成為歐洲貴族身份的象征。與白色棉花不同，彩色棉天然具有色彩，在纖維發育過程中，色素逐漸積累，最終成熟纖維呈現為彩色。因此，彩棉免去了印染、漂白等加工過程，減少化學染料使用的同時，避免了化學物質殘留對人體的潛在危害。然而，彩色棉纖維品質較差、色譜狹窄且不穩定等特點，嚴重制約了其産業發展。目前，深入挖掘彩棉形成的遺傳機制和調控網絡，利用現代生物技術，更加有效地賦能調控基因，并結合傳統雜交技術，被認為是突破彩棉發展瓶頸的有效手段。
10月13日，棉花遺傳改良團隊在Plant Physiology 在線發表了題為“TRANSPARENT TESTA 16 collaborates with MYB-bHLH-WD40 transcriptional complex to produce brown fibre cotton”的研究論文，揭示了轉錄因子TT16協同MBW複合體調控棕色纖維産生的遺傳機制。
該團隊前期利用海島棉Pima90-53與陸地棉HD208雜交并自交多代産生的純合的深棕色棉突變體Ys 以及收集得到的100份棕色棉和109份白色棉花，開展連鎖分析和關聯分析，定位到控制棕色棉的遺傳區域LC1，并将其分解為兩個遺傳位點qBF-A07-1和 qBF-A07-2，其中qBF-A07-1介導棕色棉顔色的産生，而qBF-A07-2影響了棕色棉的深淺。在此基礎上，分别發掘了兩個位點可能的候選基因Gh_TT2和Gh_WD （Plant Biotechnology Journal, 2018）。
随後，該團隊對這兩個基因展開了對棕色棉生成的遺傳機制和調控網絡的探究。首先對介導棕色棉顔色産生的Gh_TT2 進行PCR擴增，發現該基因在白色棉花HD208和棕色棉Ys 中表達量及序列均存在差異，表現為兩種單倍型。Gh_TT2在纖維發育的5-15 DPA（days post anther） 特異且高量表達，且在Ys中的表達量顯著高于HD208。原花青素合成路徑的關鍵酶（proanthocyanidins biosynthesis genes，PABGs）與其呈現一緻的趨勢。與白色棉花單倍型（Gh_tt2HD208）相比，編碼區單個SNP的突變引起了氨基酸的轉變。為探究編碼區變異對表型呈現的影響，作者利用纖維特異啟動子pGbEXPA2驅動兩種單倍型在轉化受體Jin668中表達，發現兩種單倍型的轉化系均能産生棕色的纖維。對轉化系5-15 DPA的纖維取樣，并測定色素含量以及Gh_TT2和PABGs的表達量，發現在棕色棉單倍型（Gh_TT2Ys）的轉化系中，色素含量以及相關基因表達量最高，Gh_tt2HD208的次之，兩者均顯著高于對照。上述結果表明，Gh_TT2在纖維發育時期中的高量表達與棕色纖維中原花青素的形成和沉積密切相關，而編碼區的SNP變異可能會影響PABGs的表達。
圖1. pGbEXPA2 驅動Gh_TT2Ys 和Gh_tt2HD208表達産生棕色纖維
由于Gh_TT2屬于MYB類轉錄因子，常常被報道以MYB-bHLH-WD（MBW）複合體的形式發揮調控作用，因此，研究團隊利用酵母雙雜交篩選到一個bHLH家族的轉錄因子Gh_TT8，在與Gh_TT2和Gh_WD分别互作的同時，呈現同Gh_TT2一緻的表達趨勢。酵母三雜交實驗表明，Gh_TT8可以增加Gh_TT2和Gh_WD的相互作用。另外，作者通過LUC實驗驗證了Gh_TT2，Gh_TT8以及兩者共表達對于PABGs的調控作用。有意思的現象是，Gh_TT8與Gh_TT2在對ANS的調控上并不保持一緻，Gh_TT8促進ANS的表達，而Gh_TT2抑制ANS的表達，從而阻止過多代謝物流向花青素的合成。在該團隊前期的另一項工作中也提及了Re 與Gh_TT8協同促進ANS表達的現象（Plant Physiology, 2022）。除了MBW複合體對PABGs的調控之外，Gh_TT16可以結合到Gh_TT2的上遊啟動子區域發揮負調控作用，并直接影響到下遊PABGs的表達，進而影響原花青素的形成與積累。
考慮到纖維特異啟動子pGbEXPA2驅動Re（Plant Physiology, 2022） 和Gh_TT2 均能夠産生棕色的纖維，研究團隊對兩個基因的轉化系5-15 DPA纖維取樣，并對轉錄組數據進行聯合分析，揭示了兩基因間複雜的博弈關系影響代謝物的流向以及細胞内花青素和原花青素的比例，進而使纖維呈現不同的顔色。綜上，該研究提出了調控棕色棉産生的GhTT16 -MBW -PABGs 調控網絡，為彩色棉的創制以及遺傳改良提供了理論基礎。
圖2. GhTT16-MBW-PABGs調控棕色棉産生
77779193永利官网博士生李元雪為論文第一作者，林忠旭教授和江西農業大學溫天旺博士為共同通訊作者，團隊帶頭人張獻龍院士參與了該研究的指導工作，團隊塗禮莉教授提供該研究所用的纖維特異啟動子。該項研究得到了國家重點研發計劃（No. 2022YFD1200301）以及江西省自然科學基金（No. 20212BAB215009）的資助。
論文鍊接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae530/7818450
