GhTTL启动子自然变异通过GhTALE-GhTTL-GhBIN2模块调控棉花纤维伸长的分子机制

本研究通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定到棉花纤维长度关键调控因子GhTTL，揭示其启动子自然变异通过影响转录因子GhTALE结合效率调控表达水平。机制研究表明，GhTTL作为支架蛋白将BR信号负调控因子GhBIN2锚定于细胞膜，抑制其与下游转录因子GhBES1互作，从而促进纤维伸长。该发现为棉花纤维品质改良提供了新靶点。

　　

棉花作为全球最重要的经济作物之一，其纤维品质直接决定了纺织品的工业价值。纤维长度作为核心驯化性状，在陆地棉（Gossypium hirsutum）中自然变异范围达22-33毫米，但控制这一变异的遗传基础和分子机制长期未被阐明。与此同时，油菜素内酯（Brassinosteroid, BR）信号通路虽已知参与纤维发育调控，但其关键负调控因子GhBIN2的活性调控机制仍存在空白。

这项发表在《Plant Communications》的研究通过多组学方法揭示了棉花纤维伸长的全新调控模块。研究人员首先对419份陆地棉材料进行全基因组关联分析（GWAS），在D10染色体13.6-14.37 Mb区间鉴定到与纤维长度显著关联的位点。通过表达分析和病毒诱导基因沉默（VIGS）验证，锁定四肽重复硫氧还蛋白样基因GhTTL为关键候选基因。启动子区自然变异分析发现，SNP_14334971位点的C/T变异通过改变转录因子GhTALE的结合亲和力，导致不同单倍型材料中GhTTL表达水平差异达3倍。

在机制解析方面，研究采用酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）等技术证实GhTTL直接互作并将GhBIN2锚定于细胞膜。通过亚细胞定位分析和免疫共沉淀（Co-IP）发现，GhTTL介导的膜定位减少了游离GhBIN2的胞质浓度，从而削弱其与下游转录因子GhBES1的互作强度。体外激酶实验（ADP-GloTM）进一步表明，这一空间隔离机制不影响GhBIN2对GhBES1的磷酸化能力，但通过改变亚细胞分布实现信号调控。

关键实验技术包括：1）基于419份陆地棉重测序数据的GWAS分析；2）启动子活性双荧光素酶报告系统；3）CRISPR/Cas9基因编辑构建ghttl突变体；4）酵母单杂交（Y1H）和电泳迁移率实验（EMSA）验证转录调控；5）体外蛋白互作检测（GST pull-down、BLI）。

研究结果部分：

1. 1.

   GWAS定位纤维长度关键位点：在D10染色体13.6-14.37 Mb区间发现GhTTL基因启动子和编码区存在与纤维长度显著关联的SNPs，形成Hap1和Hap2两种单倍型。

2. 2.

   启动子自然变异调控表达：SNP_14334971的C/T变异通过影响GhTALE结合效率，使Hap1材料GhTTL表达量显著高于Hap2（P<0.01）。

3. 3.

   GhTTL正向调控纤维伸长：过表达株系纤维长度增加15%-20%，而CRISPR突变体缩短12%-18%（P<0.01）。

4. 4.

   GhTTL-GhBIN2互作机制：GhTTL通过TPR结构域结合GhBIN2并将其锚定于膜系统，减少胞质GhBIN2与GhBES1的互作（Co-IP信号降低40%）。

5. 5.

   遗传互补验证：GhTTL过表达能部分恢复GhBIN2过表达株系的纤维伸长缺陷，F1代呈现中间表型。

结论与讨论：

该研究首次阐明GhTTL作为BR信号通路的空间调控因子，通过膜锚定机制解除GhBIN2对GhBES1的抑制作用，为理解植物细胞伸长提供了新视角。启动子自然变异的发现为分子标记辅助育种提供了靶点，GhTALE-GhTTL-GhBIN2模块的解析为纤维品质改良开辟了途径。值得注意的是，GhTTL同源基因在拟南芥中参与非生物胁迫响应，暗示该机制可能整合环境信号与发育调控。研究还提出GhBIN2亚细胞重分布可能是一种保守的调控策略，在作物抗逆性改良中具有潜在应用价值。