棉花不仅是重要的经济作物，也是天然纤维素的主要来源。成熟棉纤维中次生壁纤维素含量超过95%。纤维素合成的数量直接影响细胞壁厚度，而纤维素微纤丝的排列方式决定纤维素的结晶度，两者共同构成纤维细胞壁结构基础，进而影响棉纤维的产量和品质。目前对棉纤维次生壁发育中纤维素的合成机制有比较清晰的研究，然而对合成的纤维素微纤维是如何沉积和组装的机理仍不清楚。
近日，南京农业大学棉花遗传与种质创新利用团队在Plant Physiology在线发表了题为 “COBRA-LIKE 9 modulates cotton cell wall development via regulating cellulose deposition” 的研究论文，揭示了棉纤维次生壁优势表达基因GhCOBL9通过影响细胞壁中纤维素微纤维的沉积进而调控棉纤维次生壁发育的分子机制。
COBRA-LIKE（COBL）类基因编码植物特异性糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白。团队早期通过对棉花中次生壁相关的GhCOBLs开展结构和表达特征分析，鉴定到一个与次生壁发育相关的GhCOBL9基因（Niu et al., 2018），本研究对GhCOBL9在棉纤维发育中的作用机制进行了进一步解析。GhCOBL9在棉纤维发育的次生壁加厚期优势表达。利用陆地棉自然群体进行GhCOBL9不同单倍型与纤维品质表型关联分析显示GhCOBL9与棉纤维品质形成显著相关。与野生型对照相比，在棉花中过量表达GhCOBL9基因造成纤维长度变短，纤维强度和马克隆值增大，而RNAi抑制GhCOBL9的表达导致相反的表型。透射及扫描电镜分析显示转基因成熟纤维的细胞壁厚度和纤维素微纤维排列发生改变，过量表达GhCOBL9的棉纤维细胞壁显著增厚，微纤维排列更均匀致密，而RNAi抑制GhCOBL9表达导致细胞壁变薄，棉纤维中的微纤维呈现明显的凹陷表型。亚细胞定位和结合活性分析显示GhCOBL9靶向细胞壁，并以高亲和力与结晶纤维素结合。转录组分析表明GhCOBL9转基因材料的棉纤维组织中纤维素及各种单糖生物合成相关基因表达发生改变，进而影响了纤维素和多种单糖含量。酵母双杂（Y2H）、Pull-down、双分子荧光互补(BiFC)以及荧光素酶互补成像（LCI）实验显示GhCOBL9与棉纤维发育中优势表达基因GhFLA9编码的类成束阿拉伯半乳糖蛋白互作，共同调控纤维细胞壁发育。进一步研究发现GhCOBL9的启动子上存在一个M46RE元件（AGTTGGTA）。通过分析棉花中GhMYB46s的表达特征，筛选到一个与GhCOBL9表达模式高度一致的GhMYB46-5基因，通过酵母单杂(Y1H)、荧光素酶活(LUC)和凝胶迁移实验(EMSA)证明了GhMYB46-5通过结合GhCOBL9启动子上的M46RE元件调控GhCOBL9表达。
综上所述，该研究系统解析了GhCOBL9在棉纤维发育中的功能，为COBL家族基因调控棉纤维细胞壁纤维素微纤维的沉积与排列提供了证据，也为高产优质的棉花新品种培育提供了理论参考和种质材料。
图1. GhCOBL9调控棉纤维次生壁发育作用机制模式图
南京农业大学棉花遗传与种质创新利用团队已毕业博士研究生何庆飞为论文第一作者，郭旺珍教授和尚小光副教授为论文共同通讯作者。朱国忠副研究员，钟山青年研究员李维希博士，在读博士研究生于羽嘉、柳汉桥、宋晓辉，在读硕士研究生秦志广和已毕业博士研究生段宇佳参与了部分研究工作。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、三亚崖州湾科技城海南省联合项目、现代作物生产协同创新中心等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae675
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