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专题——棉花纤维发育

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棉花纤维发育     李付广 中国农业科学   2023,56(23 ):4561 -4564. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.001 摘要  （351） HTML （58） PDF （258KB）（577） 收藏 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

亚洲棉短纤维发育相关长链非编码RNA的鉴定及表达     王晓阳, 彭振, 邢爱双, 赵盈睿, 马欣丽, 刘方, 杜雄明, 何守朴 中国农业科学   2023,56(23 ):4565 -4584. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.002 摘要  （288） HTML （39） PDF （4587KB）（6075） 收藏 【目的】长链非编码RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）是一类无蛋白质编码能力，但参与许多重要生命活动调控过程的长度大于200 nt的RNA。通过对亚洲棉无短纤维突变体（GA0149）和野生型（GA0146）纤维发育早期的转录组数据进行分析，挖掘调控短纤维发育的lncRNA，并明确其调控网络，为进一步解析棉花纤维发育机制奠定基础。【方法】选择GA0146和GA0149 2个材料在开花后当天（0 DPA）及花后3 d（3 DPA）、5 d（5 DPA）和8 d（8 DPA）的胚珠和纤维为材料进行转录组测序。鉴定lncRNA并预测其调控的靶基因；通过mRNA和lncRNA的差异表达分析，比较2个材料在不同纤维发育时期的差异。进一步利用KOBAS软件预测对差异lncRNA的靶基因进行富集分析并预测其参与的生物过程；最后通过实时荧光定量（RT-qPCR）技术对25个差异表达的lncRNA转录组数据进行验证。【结果】共鉴定获得15 339个lncRNA，其中11 595个lncRNA位于基因间区，包括2 428个反义lncRNA、350个内含子lncRNA及966个正义lncRNA。共有1 932个差异表达lncRNA（DE-lncRNA），它们所对应的8 134个靶基因中，有788个为差异表达基因（DE-mRNA）。KEGG代谢通路富集分析表明，DE-mRNA主要参与植物激素信号转导（plant hormone signal transduction）和内质网中蛋白质加工过程（protein processing in endoplasmic reticulum）。共表达调控网络分析显示，表达量差异比较显著的lncRNA（MSTRG.454250.3）和其所调控的靶基因表达趋势一致，仅在野生型（GA0146）短纤维发育早期胚珠中特异表达；而lncRNA（MSTRG.454261.4）与其调控的靶基因表达趋势相反，在突变体（GA0149）中的表达量显著高于野生型。RT-qPCR结果证实了转录组数据的真实性。【结论】鉴定了26个与亚洲棉短纤维发育相关的lncRNA，其通过调控植物激素信号转导途径相关的吲哚乙酸合成酶基因（Ga03G2421）和生长素响应蛋白基因（Ga05G1344）的表达而影响短纤维的发育。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

棉花β-tubulin基因家族的鉴定及其在纤维发育中的表达     党媛玥, 马建江, 杨书贤, 宋吉坤, 贾冰, 冯盼, 陈全家, 于霁雯 中国农业科学   2023,56(23 ):4585 -4601. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.003 摘要  （283） HTML （39） PDF （7951KB）（953） 收藏 【目的】β-微管蛋白是棉纤维细胞形态建成的基本结构单位，在纤维发育过程中具有重要作用。通过鉴定棉花β-tubulin基因家族成员，并进行生物信息学和表达模式分析，为深入探究β-tubulin基因在棉花纤维发育中的作用提供理论依据。【方法】利用BLAST方法，在4个棉种基因组中鉴定β-tubulin基因家族成员，并结合ProtParam tool分析理化性质、MEGA7.0构建系统进化树、Mapchart2.2绘制染色体定位图、MEME分析保守基序、PlantCARE分析启动子顺式作用元件；根据39个材料发育纤维转录组数据分析陆地棉β-tubulin基因家族的表达水平，并利用Spearman相关性分析鉴定影响纤维品质性状形成的β-tubulin基因。【结果】在陆地棉（Gossypium hirsutum，AD1）、海岛棉（Gossypium barbadense，AD2）、亚洲棉（Gossypium arboretum，A2）和雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii，D5）基因组中分别鉴定到36、37、19和18个β-tubulin基因，且在四倍体棉种中的数目约是二倍体棉种数目的二倍，系统进化将其分为ClusterⅠ—ClusterⅤ共5个亚组。系统进化与共线性分析发现，与陆地棉β-tubulin基因家族相比，海岛棉与二倍体亚洲棉和雷蒙德氏棉亲缘关系更近。保守结构域均具有典型的Tubulin和Tubulin-C。理化性质分析表明，该家族基因编码的氨基酸数目为421—508，等电点为4.68—5.09。启动子顺式作用元件分析获得生长发育响应相关元件、激素响应相关元件和胁迫响应相关元件等，表明β-tubulin基因参与细胞的生长调节。利用TM-1转录组数据对36个陆地棉β-tubulin基因表达模式进行聚类分析，发现有42%基因在纤维中优势表达；此外，利用海陆群体动态纤维转录组数据筛选到1、6和11个β-tubulin基因分别与纤维马克隆值、比强度和纤维长度显著相关，其中4个基因同时影响纤维长度和比强度性状。【结论】4个棉种中共鉴定出110个β-tubulin基因家族成员，氨基酸理化性质和序列高度保守而启动子序列调控元件多样；筛选出陆地棉纤维优势表达的β-tubulin基因家族成员，并发掘潜在调控纤维发育的候选基因。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

棉花FLA基因家族的全基因组鉴定及GhFLA05在棉纤维发育中的功能分析     唐丽媛, 蔡肖, 王海涛, 李兴河, 张素君, 刘存敬, 张建宏 中国农业科学   2023,56(23 ):4602 -4620. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.004 摘要  （329） HTML （34） PDF （12792KB）（194） 收藏 【背景】伴随着棉纺织工艺水平的提升和人们对高品质纺织品的追求，提升棉花纤维品质日益重要。类成束阿拉伯半乳糖蛋白（fasciclin-like arabinogalactan proteins，FLAs）在棉纤维起始发育、次生壁合成等过程中可能具有重要作用。【目的】通过对棉花FLA基因家族进行全面鉴定与分析，研究该家族成员的共性特征及特异性表达模式，为FLA在棉纤维发育中的功能研究提供参考。【方法】根据棉花全基因组数据，使用HMMER 3.0对棉花FLA基因家族成员进行鉴定，并通过Pfam、Smart等软件进一步确认。使用ExPASy、TMHMM分析蛋白理化性质及跨膜结构域，应用MEGA、MCScanX、GSDS、MEME、TBtools、Jalview等工具进行进化树构建、染色体定位、共线性分析和蛋白保守结构域序列比对等。通过转录组数据分析陆地棉FLA基因在不同组织中的表达情况。利用实时荧光定量聚合酶链式反应（quantitative real-time polymerase chain reaction，qRT-PCR）检测GhFLAs在不同纤维品质材料的胚珠及不同发育时期纤维中的表达差异。利用病毒诱导的基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）技术验证GhFLA05的功能。【结果】在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组中分别鉴定出41、40、20和21个FLA家族成员，系统进化树显示，棉花FLA蛋白可以分为4个群组。进一步对陆地棉FLA家族蛋白进行分析，41个成员均具有1—2个AGP-like糖基化区域和1—2个类成束蛋白结构域（fasciclin-like domain，FAS），其中，37个含有信号肽（signal peptide，SP），25个含有糖基化磷脂酰肌醇（glycosylphosphatidy linositol anchored protein，GPI）锚定信号，基因结构和基序组成在各组中相对保守。亚细胞定位显示，GhFLA05_D可能定位在细胞质的内质网，呈聚集状颗粒，GhFLA18_A和GhFLA22在细胞膜/壁、细胞质和细胞核中均有表达。转录组测序结果表明，Group A和Group B中的FLA蛋白主要在纤维中高表达，可能参与了棉纤维发育伸长和次生壁加厚等过程。在纤维品质差异显著的2个材料中，Group A和Group B成员具有相似的表达模式，并主要在纤维次生壁发育阶段、尤其是20—25 DPA时期优势表达；其中，GhFLA05在次生壁增厚期表现出特异性表达，两材料间存在显著差异，在高比强的RIL229的次生壁阶段更早达到最大值，推测GhFLA05可能在调控纤维比强度差异形成中发挥作用。利用VIGS技术沉默GhFLA05后，使棉纤维断裂比强度降低。【结论】在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉中鉴定出122个FLA家族成员，可分为4个群组，不同群组成员间具有较高的结构和功能相似性，并从中鉴定了Group A和Group B成员，可能是主要与棉纤维发育相关的基因。明确家族中GhFLA05是次生壁合成阶段优势表达基因，并与陆地棉不同材料纤维比强度差异形成密切相关。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

棉花EXO70基因家族全基因组的鉴定及种间比较     董琰钰, 徐碧玉, 董泽宇, 汪露瑶, 陈锦文, 方磊 中国农业科学   2023,56(23 ):4621 -4634. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.005 摘要  （283） HTML （36） PDF （6939KB）（2042） 收藏 【目的】当前四倍体棉花的主栽品种是陆地棉与海岛棉，陆地棉产量高且适应性好，海岛棉纤维品质优异但产量一般。EXO70是胞外分泌体（exocyst complex）中的关键亚基，在植物生长发育、胁迫响应等方面发挥重要作用。通过全基因组水平鉴定和分析陆地棉与海岛棉EXO70基因家族成员，并研究其在纤维发育、环境适应等方面的功能，有助于揭示陆地棉与海岛棉种间性状差异形成的分子基础。【方法】从拟南芥数据库（TAIR）获取EXO70家族蛋白序列作为参考序列，采用HMMER、ExPASy、MEME、TBtools等分析工具对陆地棉TM-1和海岛棉Hai7124基因组中EXO70家族成员进行鉴定与分析，系统比较该家族在基因表达模式、重要农艺性状的相关性、逆境响应等方面的异同点。【结果】通过对陆地棉和海岛棉的基因组水平分析，均鉴定出54个EXO70家族成员，根据系统进化发育可将其分为8个分支。陆地棉和海岛棉同源基因可一一对应，分布在陆地棉与海岛棉的20条染色体上，绝大多数成员为单外显子，但是两者间有12对同源基因在阅读框序列上存在较大差异。陆地棉与海岛棉大部分同源基因表达模式类似，但在同一纤维发育时期表达量存在差异，如分支A中的GH_A04G1208与同源基因GB_A04G1253。重要农艺性状关联分析中发现，海岛棉有16个EXO70基因与纤维品质性状显著相关，多于陆地棉；陆地棉有13个基因与产量性状衣分显著相关，多于海岛棉。发现部分性状关联的差异可能由海陆种间的基因结构差异造成，如GH_A11G3714和GB_A11G3791。在不同逆境胁迫下，陆地棉中有25个基因受诱导，显著多于海岛棉中10个受诱导基因。【结论】在棉花四倍体形成、分化与驯化过程中，陆地棉与海岛棉EXO70家族基因序列结构相对保守，基因表达模式也保持较高的一致性。海岛棉有更多的EXO70基因与纤维品质性状相关，陆地棉有更多的基因与产量性状相关且对环境逆境更为敏感。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价

棉花功能基因图位克隆的研究进展     臧新山, 王康文, 张先亮, 王雪平, 王军, 梁雨, 裴小雨, 任翔, 吕宇龙, 高宇, 王星星, 彭云玲, 马雄风 中国农业科学   2023,56(23 ):4635 -4647. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2023.23.006 摘要  （254） HTML （26） PDF （556KB）（6895） 收藏 图位克隆是鉴定特定表型变异遗传基础的经典有效策略。棉花功能基因图位克隆，对育种工作者创新利用种质资源、培育和定向设计新品种、提高育种效率有重要指导作用。近年来，随着雷蒙德氏棉、亚洲棉、陆地棉和海岛棉等基因组测序的完成和不断完善，基因的物理位置信息已知，省去了筛选基因组文库和构建候选区段物理图谱的过程，棉花功能基因图位克隆研究进入快速发展期。2016年，利用正向遗传学方法首次图位克隆了陆地棉显性无腺体Gl2e（GoPGF），目前已有20个质量性状基因和5个数量性状基因通过图位克隆策略鉴定。本文从基因符号、名称、染色体定位、候选基因等方面系统综述棉花纤维、腺体、蜜腺、叶型、株型、植株颜色、育性等性状相关图位克隆基因；并从图位克隆作图群体和集团分离分析法测序（bulked segregate analysis-sequencing，BSA-seq）应用等方面系统综述图位克隆策略。随着基因组测序技术的升级、测序成本的降低、BSA-seq等新方法的应用，图位克隆发展更加快速准确。利用转基因和基因组编辑技术对基因功能开展全面系统的鉴定评价，将为棉花分子设计育种提供理论基础和基因资源，加快棉花遗传改良进程。 数据和表丨 参考文献丨 相关文章丨 多维度评价