GhSPDS11调控亚精胺合成酶增强棉花耐碱性的分子机制

本研究针对碱性胁迫严重制约棉花生长和产量的关键问题，聚焦亚精胺合成酶（SPDS）在棉花耐碱机制中的作用。中国农业科学院棉花研究所团队通过全基因组分析鉴定出33个棉花SPDS基因家族成员，发现GhSPDS11在碱胁迫下显著上调表达。利用病毒诱导基因沉默（VIGS）技术证实，GhSPDS11通过调控抗氧化酶活性（SOD降低29.14%，CAT降低11.12%）和渗透调节物质（可溶性糖减少31.57%，脯氨酸降低15.16%），显著增强棉花对Na2CO3胁迫的耐受性。该研究为棉花耐碱育种提供了新靶点，对盐碱地农业可持续发展具有重要意义。

　　

全球土壤盐碱化正以惊人的速度吞噬耕地，联合国粮农组织2024年报告显示，全球盐碱地面积已达13.81亿公顷，其中60%为高pH值的碱性土壤。在中国新疆，37.72%的耕地遭受盐碱化威胁，而这里却集中了全国82.8%的棉花种植面积。面对碱性土壤中NaHCO₃和Na₂CO₃造成的双重伤害——既破坏细胞膜稳定性又诱发氧化应激，传统育种手段已显得力不从心。

中国农业科学院棉花研究所/郑州大学农学院的研究团队将目光投向植物体内的"抗逆信使"——亚精胺（Spd）。这种小分子多胺虽已知能缓解多种胁迫，但其合成关键酶亚精胺合成酶（SPDS）在棉花耐碱机制中的角色仍是未解之谜。研究人员通过全基因组分析，在四倍体棉花中鉴定出11个SPDS基因，其中GhSPDS11在碱胁迫下表现尤为活跃。

研究团队采用多组学联用策略：首先通过系统发育分析和共线性比对揭示SPDS基因家族的进化保守性；利用PlantCARE平台解析启动子顺式作用元件，发现大量与激素响应和胁迫相关的调控序列；结合qRT-PCR动态监测，锁定GhSPDS11为关键响应基因。为验证功能，研究人员创新性地构建VIGS沉默体系，发现GhSPDS11缺陷型棉花在50 mM Na₂CO₃处理下出现"三重崩溃"——抗氧化系统瓦解（H₂O₂积累增加38.66%）、渗透调节失效（脯氨酸下降15.16%）、气孔开度锐减44.87%。

3.1节揭示GhSPDS11的"双重定位"特性

通过GFP标记发现GhSPDS11同时定位于细胞核和细胞质，暗示其可能参与从基因表达到代谢调控的多层次应激响应。这种独特的亚细胞分布模式为解释多胺的"跨界"调控功能提供了新线索。

3.8节展示沉默植株的"多米诺骨牌效应"

VIGS沉默GhSPDS11导致棉花体内Spd含量骤降，引发连锁反应：叶片相对含水量下降、生物量积累受阻。扫描电镜捕捉到气孔异常闭合的生动画面，犹如植物在碱胁迫下的"窒息"状态。

3.9节阐明分子盾牌机制

研究首次绘制出GhSPDS11介导的耐碱通路：通过激活SOD/CAT抗氧化酶系统清除ROS，同时促进脯氨酸和可溶性糖积累维持渗透平衡。这种"双管齐下"的防御策略使棉花能在pH高达11.1的逆境中生存。

讨论部分将发现置于更广阔的视角：与番茄SlSPDS2、辣椒CaSPDS等同源基因相比，GhSPDS11展现出独特的碱胁迫响应特性。其在酵母异源表达系统中表现出的耐碱性，为分子设计育种提供了可操作的靶点。论文创新性地提出"多胺-抗氧化-渗透调节"协同网络模型，为理解植物适应盐碱环境的普适机制提供了新范式。

这项发表在《Plant Stress》的研究不仅填补了棉花多胺代谢研究的空白，更开辟了利用内源Spd合成途径改良作物耐逆性的新思路。在气候变化加剧、耕地资源紧张的背景下，该成果为盐碱地棉花种植提供了理论支撑和技术储备，对保障全球棉花产业可持续发展具有战略意义。