棉花GhMML3基因复制对协同调控棉绒和绒毛发育的分子机制研究

本期推荐：中国科学家通过基因编辑技术揭示棉花纤维发育新机制。研究团队利用CRISPR/Cas9系统创制GhMML3基因编辑材料，发现GhMML3_A12和GhMML3_D12通过剂量效应协同调控棉纤维起始，首次证实GhMML3_D12是隐性无绒基因n2的编码基因。该研究为棉花纤维品质改良提供了重要理论依据，成果发表于《Plant Communications》。

　　棉花作为全球最重要的纤维作物，其经济价值主要取决于种子表皮细胞发育形成的棉绒（lint）数量。然而，控制棉绒和绒毛（fuzz）发育的分子机制尚未完全阐明。在棉花中，N₁和n₂是两个独立控制无绒性状的关键基因，其中N₁已被鉴定为编码GhMML3_A12基因，但隐性无绒基因n₂的身份仍是个谜。解析这些基因的功能对理解棉花纤维发育机制具有重要意义。

浙江大学农业与生物技术学院的研究人员通过图位克隆结合基因编辑技术，成功鉴定出隐性无绒基因n₂编码GhMML3_D12转录因子。研究团队利用CRISPR/Cas9系统创制了GhMML3单突变体和双突变体材料，发现GhMML3_A12和GhMML3_D12通过剂量效应协同调控棉纤维发育。相关研究成果发表在《Plant Communications》上。

研究采用的主要技术方法包括：利用(n₂NSM × TM-1)F₂和BC₁群体进行精细定位；设计sgRNA靶向GhMML3基因外显子区域构建CRISPR/Cas9载体；通过农杆菌介导法转化棉花获得转基因植株；采用扫描电镜观察纤维起始过程；开展转录组和单细胞RNA测序分析基因表达模式；运用EMSA和双荧光素酶报告系统验证蛋白-DNA互作。

研究结果主要包括：

1. 图位克隆鉴定n₂基因：通过构建大群体将n₂基因定位到D12染色体75.36 kb区间，发现GhMML3_D12启动子区21 bp缺失是导致n₂NSM无绒表型的关键变异。

2. 基因编辑验证基因功能：创制的#mml3-D12突变体表现出与n₂NSM相似的无绒表型，而#mml3s双突变体则呈现无绒无絮（fuzzless-lintless）表型，证实GhMML3_D12是n₂基因的编码基因。

3. 剂量效应调控机制：F₂群体分析显示GhMML3_A12和GhMML3_D12通过剂量效应协同调控纤维发育，保留至少一个功能拷贝即可维持棉绒发育。

4. 转录调控网络解析：GhMML3_D12直接结合GhHD-1和GhMYB25启动子激活其表达，形成核心调控网络。单细胞测序揭示GhMML3通过调控脂质转运和蔗糖代谢相关基因影响纤维细胞分化。

5. 发育模型构建：提出GhMML3作为枢纽基因，通过调控下游GhMYB25、GhHD-1等基因表达，在-1至5 DPA（开花后天数）期间分阶段促进棉绒和绒毛起始。

这项研究首次明确了隐性无绒基因n₂的分子身份，揭示了GhMML3基因复制对通过剂量效应协同调控棉花纤维发育的分子机制。发现的调控网络为棉花纤维品质改良提供了重要靶点，创制的基因编辑材料为研究纤维发育提供了宝贵资源。研究结果不仅解决了棉花遗传学中长期悬而未决的科学问题，也为其他作物纤维性状改良提供了理论参考。