利用GhGRDP1自然变异提升棉花种子产量的育种策略：基于鼠李糖依赖的调控机制

本研究针对棉花育种中种子产量与纤维品质难以协同提升的关键问题，通过GWAS和eQTL联合分析鉴定到关键基因GhGRDP1。研究人员发现其1-bp缺失变异通过NMD机制调控种子指数(SI)和衣分(LP)，证实GhGRDP1通过激活UDP-L-鼠李糖合成酶(GhRHM1)活性促进细胞扩张，从而正向调控种子大小且不影响纤维品质。该研究揭示了GRDP1在核心被子植物中保守的种子发育调控功能，为高产作物育种提供了新靶点。

　　

棉花作为全球重要的经济作物，其种子不仅是纺织纤维的来源，更是食用油和饲料的重要原料。然而在育种实践中，种子产量与纤维品质往往呈现此消彼长的关系——提高衣分（LP）常伴随种子指数（SI）下降，这一矛盾长期制约着棉花产量提升。更棘手的是，调控种子发育的分子机制在棉花中仍知之甚少，传统育种方法难以突破这一瓶颈。

为破解这一难题，浙江大学农业与生物技术学院的研究团队开展了系统性研究。他们通过对278份陆地棉自然群体进行GWAS和eQTL联合分析，锁定了一个关键基因GhGRDP1（Glycine-rich domain protein）。这项突破性成果发表在《Journal of Advanced Research》上，揭示了棉花种子发育的分子开关及其进化保守性。

研究人员采用多组学联用策略：基于自然群体重测序鉴定GhGRDP1等位变异；通过KASP分型验证1-bp缺失导致的NMD机制；利用CRISPR-Cas9构建棉花、拟南芥和水稻的基因编辑材料；结合Co-IP、Pull-down、BiFC等技术解析GhGRDP1-GhRHM1互作网络；采用HPLC定量UDP-Rha合成效率；借助代谢组分析渗透调节物质变化。

NMD调控GhGRDP1表达
研究发现GhGRDP1第八外显子1-bp缺失（HAP2单倍型）引发移码突变，产生提前终止密码子（PTC）并激活NMD机制，导致mRNA降解。群体分析显示HAP2单倍型与低SI、高LP显著相关，该变异在栽培种中频率达91.1%，表明其受到强烈人工选择。

GhGRDP1自然变异的起源与分布
该变异为陆地棉特有，起源于特定地理种族（latifolium等）。在中国五大棉区中，西北内陆棉区HAP2频率最高（>90%），与当地高产特性吻合。选择信号分析显示GhGRDP1位点F_ST和π比值均位于基因组top 10%，证实其受强烈选择。

GhGRDP1正向调控种子大小
转基因实验证实：过表达GhGRDP1使棉花种子面积增加15.2%，百粒重提高21.3%；而RNAi和CRISPR敲除系种子显著减小。值得注意的是，这种调控不损害纤维品质参数（UHML、micronaire等），打破了产量-品质负相关的传统认知。

GhGRDP1-GhRHM1模块调控种子发育
机制研究发现GhGRDP1通过N端DUF1399结构域与GhRHM1互作，其C端短甘氨酸富集域（sGRD）能提升GhRHM1酶活2.3倍，促进UDP-Rha合成。代谢组分析显示过表达系中甜菜碱等渗透调节物质显著积累，通过调节细胞膨压驱动种子扩张。

GRDP1功能在被子植物中保守
系统发育分析显示GRDP1在核心被子植物中进化出sGRD结构域。跨物种实验证实：拟南芥Atgrdp1突变体千粒重降低18.6%；水稻Osgrdp1突变体粒宽减少12.4%。值得注意的是，OsGRDP1在栽培稻中同样受到选择，暗示平行驯化现象。

这项研究首次阐明了GhGRDP1通过鼠李糖代谢通路调控种子大小的分子机制，其自然变异为分子设计育种提供了精准靶点。从应用角度看，该发现具有双重价值：一方面可通过操纵GhGRDP1表达平衡SI与LP关系，培育适应不同需求的新种质；另一方面，GhGRDP1作为RHM1的天然激活剂，为微生物合成鼠李糖的工艺优化提供了新思路。

特别值得注意的是，研究揭示了被子植物中GRDP1功能创新的进化轨迹——通过获得sGRD结构域，使其在保持基础代谢功能的同时，获得了调控种子发育的新功能。这种"一因多效"的特性使其成为作物驯化过程中的关键靶点，为理解人工选择如何重塑植物发育提供了典型案例。