GhSWEET15-3A/3D通过调控棉花种子与纤维间糖分分配协同提升产量与纤维品质

本研究聚焦棉花产量与纤维品质协同提升的关键科学问题，研究人员通过分子生物学与基因编辑技术，揭示了糖转运蛋白GhSWEET15-3A/3D在调控胚珠与纤维间糖分配中的核心作用。研究发现该基因缺失会导致胚胎发育停滞、纤维品质下降，而过表达则显著提升纤维长度和衣分。该研究为通过精准调控糖分配路径实现棉花高产优质育种提供了新靶点和理论依据，对现代农业育种具有重要指导意义。

　　

棉花作为全球最重要的经济作物之一，其种子和纤维都具有极高的经济价值。然而在棉花发育过程中，光合作用产生的糖类如何在种子和纤维之间进行分配，直接影响着棉花的产量和纤维品质。这个关键的生物学过程长期以来缺乏深入的分子机制研究，特别是糖分转运蛋白在其中的调控作用尚未明确。

为了解决这一科学问题，西南大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》上发表了最新研究成果。他们通过系统的分子生物学研究，发现了一个名为GhSWEET15-3A/3D的糖转运蛋白基因，该基因在棉花胚珠和纤维中特异性表达，可能发挥着调控糖分分配的关键作用。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究。首先通过生物信息学分析对七个棉属物种的SWEET基因家族进行了全基因组鉴定和系统进化分析。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了ghsweet15-3a/3d突变体材料，同时通过过表达技术获得转基因株系。通过实时荧光定量PCR（RT-qPCR）分析了基因表达模式，采用组织化学染色（GUS staining）检测了启动子活性，并运用酵母单杂交（Y1H）技术验证了转录因子与启动子的互作关系。此外，还通过石蜡切片观察了胚胎发育情况，并使用高效液相色谱等技术测定了糖含量。

研究结果方面，系统进化分析显示，在七个棉属物种中共鉴定出350个SWEET基因，其中GhSWEET15-3A/3D属于第三亚家族，在胚珠和纤维中高表达。组织特异性表达分析证实该基因在花瓣、雄蕊和胚珠中特异性表达，在胚珠20 DPA（花后天数）和纤维10-15 DPA时期表达量最高。

通过CRISPR-Cas9技术获得ghsweet15-3a/3d突变体后，研究人员发现突变体种子变小，胚胎发育延迟，内珠被和外珠被变薄，胚囊所占比例减少。到20 DPA时，突变体胚胎仍停留在球形胚阶段，而对照已经进入鱼雷形胚阶段。同时，突变体的胚乳保持在多核状态，未能正常发育。

在产量和纤维品质方面，突变体的百粒重下降了67.16%-67.18%，皮棉重量减少了46.21%-53.89%，但衣分提高了25.66%-36.93%。纤维长度、马克隆值和纤维强度都显著降低，表明突变体产生了更小、纤维更少的种子。

糖含量测定显示，突变体胚珠中葡萄糖含量显著增加，而纤维中葡萄糖含量减少，表明GhSWEET15-3A/3D介导葡萄糖从胚珠向纤维的分配。相反，过表达株系纤维中蔗糖含量显著升高，而葡萄糖和果糖含量降低，纤维长度、皮棉重量和衣分都显著提高。

启动子分析发现，在GhSWEET15-3A启动子的-337 bp至-597 bp区域存在一个种子特异性表达的核心顺式作用元件。酵母单杂交实验证明，B3型转录因子GhABI3能够与该区域的"TTGCATGGA"顺式元件结合，将GhSWEET15-3A/3D的表达调控与ABA信号通路联系起来。

研究结论表明，GhSWEET15-3A/3D在GhABI3的调控下，协调可溶性糖在胚胎、胚乳和纤维之间的流动，最终影响棉花的产量和纤维品质。该研究不仅揭示了棉花糖分配的分子机制，还为通过遗传改良同时提高棉花产量和纤维品质提供了潜在靶点。

这项研究的重大意义在于首次系统地阐明了GhSWEET15-3A/3D在棉花糖分配中的关键作用，建立了GhABI3-GhSWEET15-3A/3D调控模块，为理解棉花种子发育和纤维形成的营养分配机制提供了新视角。研究成果不仅对棉花遗传改良具有重要指导价值，也为其他作物的产量与品质协同提升研究提供了可借鉴的思路和方法。