中科院專家成功克隆棉纖維伸長關(guān)鍵基因

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

　　在竹炭纖維等新概念入侵的當(dāng)下，純棉衣物仍以其舒適度高、透氣佳、親膚等優(yōu)點(diǎn)在大多數(shù)人的衣柜里占據(jù)著一席之地。國人對(duì)棉纖維的需求不減，而我國優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)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(tài)研究所陳曉亞院士研究組最新克隆鑒定了一個(gè)控制棉纖維伸長的關(guān)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(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界超過80個(gè)國家種植棉花。中國是最大的原棉生產(chǎn)國和消費(fèi)國，直接從事棉紡織及相關(guān)行業(yè)的人員達(dá)到2000多萬，間接從業(yè)人員多達(dá)1億。棉紡產(chǎn)業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)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(yōu)質(zhì)原棉的自給率更低，每年需進(jìn)口一百多萬噸優(yōu)質(zhì)原棉。

　　棉纖維是最受消費(fèi)者歡迎的紡織材料，而棉纖維長度則是棉花品質(zhì)的重要指標(biāo)。研究人員告訴記者，棉纖維是由棉花種子表皮細(xì)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(xì)胞。其發(fā)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(gè)部分重疊的時(shí)期，其中纖維伸長和次生壁合成與品質(zhì)性狀的關(guān)系最為密切。

　　“然而到目前為止，關(guān)于棉纖維發(fā)育、尤其是纖維伸長調(diào)控的研究還相對(duì)較少。”陳曉亞不無遺憾地說。通過關(guān)聯(lián)分析和遺傳定位，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)含有同源異型框的轉(zhuǎn)錄因子GhHOX3與棉纖維伸長相關(guān)。

　　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(jià)值的棉纖維伸長基因。研究組發(fā)現(xiàn)GhHOX3編碼一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，通過與赤霉素途徑的負(fù)調(diào)控因子DELLA蛋白結(jié)合響應(yīng)激素信號(hào)，促進(jìn)棉纖維細(xì)胞伸長，為進(jìn)一步解析植物細(xì)胞伸長的分子機(jī)理、克隆棉纖維發(fā)育新基因打下了基礎(chǔ)，也為棉纖維品質(zhì)改良提供了靶標(biāo)基因。

　　“在棉花體中提高GhHOX3的表達(dá)可以增加棉纖維長度，而抑制該基因表達(dá)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(shí)驗(yàn)室調(diào)節(jié)GhHOX3表達(dá)后生長的兩種不一樣的棉纖維。圖中清晰可見GhHOX3低表達(dá)的棉纖維展開僅一厘米左右的長度，而GhHOX3高表達(dá)的棉纖維長度則是低表達(dá)棉纖維的幾倍。

　　GhHOX3在纖維伸長的過程中發(fā)揮了重要作用，左右GhHOX3在棉花體中的表達(dá)就可以讓棉纖維“自如延展”。陳曉亞說：“這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的控制棉纖維長度最有價(jià)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(guān)鍵基因后，俗稱“綠色革命激素”的赤霉素促進(jìn)綿纖維伸長的作用機(jī)理問題也迎刃而解。

　　上世紀(jì)中期開始，小麥、水稻半矮稈新品種在全世界范圍內(nèi)得到大面積的推廣應(yīng)用，解決了作物“高產(chǎn)倒伏”的矛盾，使得世界糧食總產(chǎn)在短時(shí)間內(nèi)大幅度提高，從而在全世界范圍內(nèi)解決了當(dāng)時(shí)由于人口快速增長對(duì)糧食安全帶來的嚴(yán)峻危機(jī)，正是植物激素“赤霉素”的巨大生物學(xué)效應(yīng)帶來了造福全人類的這場“綠色革命”。

　　“赤霉素促進(jìn)植物細(xì)胞伸長，但赤霉素促進(jìn)棉纖維伸長的作用機(jī)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(fā)育過程中的調(diào)控機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)中將GhHOX3作為“誘餌”進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)它可與同一類的另一轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，形成與棉纖維伸長相關(guān)的異源二聚體;而赤霉素途徑的負(fù)調(diào)控因子DELLA蛋白則會(huì)與該轉(zhuǎn)錄因子“競爭”，“搶占”與GhHOX3結(jié)合的“先機(jī)”，阻礙二聚體的形成。在赤霉素濃度升高時(shí)，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(dá)，促進(jìn)棉纖維伸長。

　　更多隱藏下游基因“出世”

　　GhHOX3被克隆鑒定讓科學(xué)家可以“鎖定”目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)家還可以用它做“魚鉺”， “釣”到一系列與棉纖維伸長有關(guān)的下游基因。

　　“在我們研究組此前發(fā)表的論文中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)棉花細(xì)胞壁松弛蛋白基因?qū)γ蘩w維發(fā)育具有促進(jìn)作用。這次的實(shí)驗(yàn)我們進(jìn)一步證明，GhHOX3可以直接結(jié)合這兩個(gè)基因啟動(dòng)子上的順式元件并激活它們的表達(dá)，而細(xì)胞壁延展正是棉纖維伸長的必需條件。”陳曉亞說。

　　這兩個(gè)棉花細(xì)胞壁松馳蛋白基因就是GhHOX3眾多下游基因的其中兩個(gè)。纖維的伸長是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控過程，為進(jìn)一步發(fā)掘GhHOX3的其他下游基因，研究組通過高通量測序技術(shù)篩選到90個(gè)差異表達(dá)的功能基因，為棉纖維品質(zhì)改良提供了一批重要候選基因。