中科院專家成功克隆棉纖維伸長關鍵基因

　　GhHOX3在纖維伸長的過程中發揮了重要作用，左右GhHOX3在棉花體中的表達就可以讓棉纖維“自如延展”。陳曉亞說，“這是迄今為止發現的控制棉纖維長度最有價值的基因之一”。

　　在竹炭纖維等新概念入侵的當下，純棉衣物仍以其舒適度高、透氣佳、親膚等優點在大多數人的衣柜里占據著一席之地。國人對棉纖維的需求不減，而我國優質棉產量卻存在著巨大的缺口。近日，中科院上海生科院植物生理生態研究所陳曉亞院士研究組最新克隆鑒定了一個控制棉纖維伸長的關鍵基因，將有助于緩解這一矛盾。

　　讓棉纖維“自如延展”的基因

　　據統計，全世界超過80個國家種植棉花。中國是最大的原棉生產國和消費國，直接從事棉紡織及相關行業的人員達到2000多萬，間接從業人員多達1億。棉紡產業在我國國民經濟中具有舉足輕重的地位，而我國每年的棉花自給率只有70%左右，高檔優質原棉的自給率更低，每年需進口一百多萬噸優質原棉。

　　棉纖維是最受消費者歡迎的紡織材料，而棉纖維長度則是棉花品質的重要指標。研究人員告訴記者，棉纖維是由棉花種子表皮細胞分化而來，是高等植物中伸長最快、合成纖維素最多的單細胞。其發育過程可分為分化與突起、迅速伸長、次生壁合成以及脫水成熟4個部分重疊的時期，其中纖維伸長和次生壁合成與品質性狀的關系最為密切。

　　“然而到目前為止，關于棉纖維發育、尤其是纖維伸長調控的研究還相對較少。”陳曉亞不無遺憾地說。通過關聯分析和遺傳定位，他們發現了一個含有同源異型框的轉錄因子GhHOX3與棉纖維伸長相關。

　　此次他們“捕獲”的名為“GhHOX3”的基因隱藏在棉花眾多基因中，是具有重要育種價值的棉纖維伸長基因。研究組發現GhHOX3編碼一個轉錄因子，通過與赤霉素途徑的負調控因子DELLA蛋白結合響應激素信號，促進棉纖維細胞伸長，為進一步解析植物細胞伸長的分子機理、克隆棉纖維發育新基因打下了基礎，也為棉纖維品質改良提供了靶標基因。

　　“在棉花體中提高GhHOX3的表達可以增加棉纖維長度，而抑制該基因表達則可使纖維顯著變短。”陳曉亞隨后向記者展示了一幅棉纖維特寫圖，左右兩邊分別是實驗室調節GhHOX3表達后生長的兩種不一樣的棉纖維。圖中清晰可見GhHOX3低表達的棉纖維展開僅一厘米左右的長度，而GhHOX3高表達的棉纖維長度則是低表達棉纖維的幾倍。

　　GhHOX3在纖維伸長的過程中發揮了重要作用，左右GhHOX3在棉花體中的表達就可以讓棉纖維“自如延展”。陳曉亞說：“這是迄今為止發現的控制棉纖維長度最有價值的基因之一。”

　　解密“綠色革命激素”與棉纖維

　　找到控制綿纖維長度的關鍵基因后，俗稱“綠色革命激素”的赤霉素促進綿纖維伸長的作用機理問題也迎刃而解。

　　上世紀中期開始，小麥、水稻半矮稈新品種在全世界范圍內得到大面積的推廣應用，解決了作物“高產倒伏”的矛盾，使得世界糧食總產在短時間內大幅度提高，從而在全世界范圍內解決了當時由于人口快速增長對糧食安全帶來的嚴峻危機，正是植物激素“赤霉素”的巨大生物學效應帶來了造福全人類的這場“綠色革命”。

　　“赤霉素促進植物細胞伸長，但赤霉素促進棉纖維伸長的作用機理以往并不清楚。”陳曉亞告訴記者。

　　研究組為揭示植物激素赤霉素在纖維發育過程中的調控機理，在實驗中將GhHOX3作為“誘餌”進行篩選，發現它可與同一類的另一轉錄因子結合，形成與棉纖維伸長相關的異源二聚體;而赤霉素途徑的負調控因子DELLA蛋白則會與該轉錄因子“競爭”，“搶占”與GhHOX3結合的“先機”，阻礙二聚體的形成。在赤霉素濃度升高時，DELLA蛋白被迅速降解，與之“綁定”的GhHOX3得以“釋放”，形成高活性的二聚體，激活下游基因的表達，促進棉纖維伸長。

　　更多隱藏下游基因“出世”

　　GhHOX3被克隆鑒定讓科學家可以“鎖定”目標，通過實驗手段“改造” GhHOX3，讓它作用于棉纖維后使棉纖維變得更長。“從目前的實驗結果來看，這種伸長還不是很明顯。”陳曉亞說。

　　除了在GhHOX3自身上“做文章”以外，科學家還可以用它做“魚鉺”， “釣”到一系列與棉纖維伸長有關的下游基因。

　　“在我們研究組此前發表的論文中，已經發現有兩個棉花細胞壁松弛蛋白基因對棉纖維發育具有促進作用。這次的實驗我們進一步證明，GhHOX3可以直接結合這兩個基因啟動子上的順式元件并激活它們的表達，而細胞壁延展正是棉纖維伸長的必需條件。”陳曉亞說。

　　這兩個棉花細胞壁松馳蛋白基因就是GhHOX3眾多下游基因的其中兩個。纖維的伸長是一個復雜的調控過程，為進一步發掘GhHOX3的其他下游基因，研究組通過高通量測序技術篩選到90個差異表達的功能基因，為棉纖維品質改良提供了一批重要候選基因。