GhSnRK10-GhRopGEF5-GhROP10信号通路通过磷酸化调控棉花纤维细胞极性生长的分子机制

本研究揭示了棉花纤维极性生长的新机制，发现GhSnRK10通过磷酸化GhRopGEF5 Thr398位点激活GhROP10，进而调控ROS/Ca2+信号和细胞骨架基因表达，负向调控纤维伸长。CRISPR编辑该通路显著提升纤维长度，为棉花品质改良提供了新靶点。

　　

棉花纤维作为自然界最长的单细胞之一，其独特的极性生长模式结合了扩散生长与顶端生长的特征，是研究植物细胞形态建成的理想模型。然而，与花粉管、根毛等典型极性生长细胞相比，棉花纤维如何协调长达3-4厘米的极端伸长过程，其分子机制尚不明确。浙江大学农业与生物技术学院的研究人员通过多亲本高级世代互交群体（MAGIC）的全基因组关联分析（GWAS），发现Rho鸟苷酸交换因子GhRopGEF5的缺失变异与优质纤维性状显著相关，进而揭示了一条由能量感受激酶GhSnRK10、Rho鸟苷酸交换因子GhRopGEF5和小G蛋白GhROP10组成的全新信号通路，相关成果发表在《Plant Communications》。

研究采用GWAS定位、CRISPR-Cas9基因编辑、酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）、体外磷酸化检测和MANT-GDP核苷酸交换实验等关键技术，结合转录组分析和生理指标检测，系统解析了该通路的分子机制。

GhRopGEF5鉴定与功能验证

通过GWAS在16个陆地棉品种构建的MAGIC群体中，发现GhRopGEF5（GH_A10G2501）单碱基缺失导致蛋白截短，与纤维长度、强度显著相关。表达谱显示其在纤维快速伸长期（5-10 DPA）高表达。CRISPR敲除株系纤维长度增加2-3毫米，而过表达株系无显著变化，证实其负调控作用。

GhSnRK10介导的磷酸化调控

Y2H筛选发现能量感受激酶GhSnRK10与GhRopGEF5的PRONE结构域（CA区）特异性互作。体外磷酸化实验和质谱分析鉴定到Thr³⁹⁸为关键磷酸化位点，突变该位点（T398A）显著降低GhROP10激活能力。GhSnRK10过表达株系表现出与GhRopGEF5敲除相似的纤维伸长表型，证实上游调控关系。

GhROP10的顶端定位与功能

GhROP10通过Y2H和Co-IP与GhRopGEF5互作，在纤维顶端富集。敲除株系纤维伸长增强，伴随ROS和Ca²⁺水平动态变化。ABA含量在敲除株系20 DPA显著升高，与细胞壁增厚相关基因表达变化一致，揭示生长-成熟转换的协调机制。

多组学解析下游网络

转录组分析发现GhRopGEF5敲除显著影响5 DPA纤维的8677个差异基因，富集于微管组织、GTP酶信号和激素通路。KEGG分析显示细胞骨架蛋白和ABA信号通路关键基因被激活，解释了极性生长调控的多元协同机制。

该研究首次阐明植物SnRK激酶通过磷酸化RopGEF调控ROP活性的分子开关机制，突破性地发现典型生长促进通路在棉花纤维中演化为"生长制动"系统。GhRopGEF5通过整合能量信号（GhSnRK10）、极性定位（GhROP10）和激素响应（ABA），精确控制纤维的极性伸长与次生壁沉积转换，为理解植物细胞形态多样性提供了新视角。所创制的基因编辑材料为棉花纤维品质改良提供了可直接应用的遗传资源，相关通路的保守性也为其他作物细胞形态工程提供了借鉴。