基于酸生长理论优化质外体酸化促进棉花纤维伸长的分子机制研究

本研究针对棉花纤维伸长受限的难题，创新性应用酸生长理论(AGT)，通过时空精准调控质膜H+-ATPase(GhHA4A)和跨膜激酶(GhTMK3A)表达，揭示质外体pH动态平衡对纤维伸长的关键作用。研究发现适度酸化可使陆地棉纤维增长3-4mm，为棉花品质改良提供了新策略。

　　

棉花作为全球最重要的天然纤维作物，其纤维长度直接决定纺织品质和经济价值。然而传统育种在纤维品质改良方面面临瓶颈，亟需从细胞生物学角度揭示纤维伸长的分子机制。酸生长理论(acid growth theory, AGT)虽在模式植物中阐明细胞扩张机制已50余年，但在棉花等经济作物中的应用仍属空白。这项由河南大学棉花生物育种与综合利用全国重点实验室团队完成的研究，首次将AGT系统应用于棉花纤维发育研究，相关成果发表在《Plant Communications》上。

研究团队采用比较基因组学发现四倍体棉花中质膜H⁺-ATPase(PM HA)和跨膜激酶(TMK)等酸生长相关基因家族显著扩张；通过化学调节剂处理结合CRISPR/Cas9基因编辑验证PM HA活性对纤维伸长的必要性；利用酵母异源表达系统鉴定GhHA4A等关键质子泵功能；借助磷酸化蛋白质组学揭示Thr955等位点的调控作用；最后通过纤维特异性启动子驱动GhHA4A和GhTMK3A的时空表达，实现纤维长度精准改良。

"比较基因组学揭示酸生长相关基因家族扩张"部分显示，四倍体棉花的PM HA和TMK基因拷贝数较拟南芥显著增加，其中GhHA4A在纤维伸长期高表达。酵母互补实验证实GhHA4A截短体(缺失C端自抑制域)能恢复酵母RS-72菌株在葡萄糖培养基的生长能力，证明其具有功能性H⁺泵活性。

"GhTMK3调控GhHA4磷酸化"部分通过双分子荧光互补(BiFC)证实GhTMK3A与GhHA4A在细胞膜互作。CRISPR敲除株Ghtmk3纤维缩短且质外体pH升高，Western blot显示其GhHA4A磷酸化水平降低，证实TMK-HA信号级联在纤维酸化中的核心作用。

"最佳质外体酸化增强纤维伸长"的发现尤为关键：组成型激活GhHA4A(ProGhEXPA2:GhHA4A△C)导致pH持续低于5.1，反而抑制伸长；而适度调控的转基因株(ProGhHOS3:GhHA4A)使pH动态维持在5.1-5.8区间，纤维增长3-4mm。海岛棉天然更低的质外体pH与其更长纤维的表型相互印证。

该研究不仅将AGT理论拓展到作物系统，更创建了"动态酸化"新概念——揭示细胞扩张需要pH的时空精准调控而非单纯酸化。通过纤维特异性启动子实现靶向干预，在提升陆地棉纤维品质的同时，避免了种子发育等农艺性状的负效应。这种基于基础理论创新的分子设计育种策略，为其他纤维作物改良提供了范式。研究涉及的GhHA4A-Thr955磷酸化调控模块，可能成为未来作物细胞工程的重要靶点。