Genome Biology | 武汉大学王坤/周宇合作发现棉纤维细胞昼夜节律性生长的调控机制

棉纤维是全球纺织业最重要的天然纤维素来源。近年来，棉花纤维品质改良陷入了瓶颈期，亟待突破性创新策略推动新的技术变革。植物生物钟是调控植物发育和生理功能的“节拍器”，比如控制气孔开闭，下胚轴伸长，开花时间，光响应等等。长期以来的观点认为调节生物节律能提高农作物的产量和适应性等重要农艺性状，然而在棉花中是否如此还未得到证实。

2023年3月14日，武汉大学生命科学学院王坤教授和周宇教授团队合作在Genome Biology发表了题为Cell-specific Clock Controlled Gene Expression Program Regulates Rhythmic Fiber Cell Growth in Cotton的研究论文，发现棉纤维细胞昼夜节律性生长的调控机制.

该研究团队利用单细胞RNA-seq和ATAC-seq技术、激光显微切割偶联测序技术，结合昼夜节律的时序转录组数据进行整合分析，鉴定了棉纤维等细胞类型并建立了其发育轨迹（图1）；首次发现棉纤维细胞的早期生长受到节律钟的调控，并且发现了节律钟下游控制的两个重要因子：小肽GhRALF1和转录因子GhTCP14，它们分别通过特异性地控制纤维细胞中的生长素信号、膜外pH及线粒体和蛋白翻译的代谢活动而调控纤维细胞的早期发育过程。这一极具创新性的发现使得我们可以考虑通过改变棉花纤维细胞的生长“节拍器”—生物钟而获得更高品质的天然纤维。根据这一发现，研究团队认为未来可以通过特异性地调谐棉纤维细胞中生物钟信号的输入或输出，重置棉纤维细胞的生物钟并重编程棉纤维细胞发育，从而改变纤维细胞昼夜的生长规律，获得更长和更好的棉花纤维。

由于棉花胚珠组织结构复杂，早期发育的纤维细胞难以分离，对于棉纤维早期起始的研究一直局限于组织研究水平，也极大限制了对棉花纤维初期发育细胞转录特征的分析和发育机制的解析。2016年，随着单细胞测序技术的发展成熟，研究团队在植物领域较早地开展高通量单细胞测序技术的应用探索。通过一年半的尝试，该团队成功创立了从棉花胚珠外被制备原生质体细胞的酶解方案 （PTED，Partial Tissue Enzymatic Digestion） 的方法。团队应用PTED方法成功获得陆地棉徐州142及其无绒突变体开花前后 （-2至+2 DPA） 的胚珠外珠被的原生质体，并进行单细胞转录组和染色质开放性测序。

图1. 棉花胚珠外珠被单细胞转录图谱的构建

在后续的数据分析中，研究团队鉴定到大量棉花纤维细胞特异性高表达基因。其中，棉纤维细胞高表达的小肽GhRALF1在体外实验中显示出对纤维早期生长的显著抑制作用，这引起了研究人员的极大兴趣。研究团队通过昼夜的时序转录组分析和定量PCR验证，发现棉纤维细胞的早期生长是一个精细调控的昼夜节律过程，而小肽GhRALF1作为一种生长速率控制的“变阻器”，可能通过影响生长素信号和纤维细胞的胞外pH动态而节律性地控制棉纤维的生长。另外，研究团队通过整合scATAC-seq和scRNA-seq，进一步鉴定出两个非常重要的顺式调控元件 (CREs) ：TCP motif和TCP-like motif；并发现它们可与转录因子GhTCP14结合，可能通过调控纤维细胞中近1/3的高表达基因来节律性地调节棉纤维细胞的线粒体能量代谢和蛋白质翻译系统。

基于上述发现，研究团队提出了一个棉纤维早期生长的节律调控模型。在棉纤维细胞中，核心节律器 （生物钟，Clock Oscillators） 通过控制棉纤维细胞特异性表达的基因 （纤维特异性的生物钟控制基因，Fiber-specific clock controlled genes，CCGs） ，以节律性地调控线粒体能量，核糖体翻译，生长素响应等多个生理过程，从而控制棉纤维细胞的生长（图2）。

图2. 纤维细胞中节律调控模型

该项研究不仅是领域内首次发现棉纤维早期发育的生物钟控制现象，还首次在棉纤维细胞这一单细胞水平揭示了植物生物钟控制的“细胞特异性”机制，为生物节律的研究提供了一个全新的视角。它揭示了一条通过特异性改造棉纤维细胞的生物钟来改善纤维性状的新途径，为棉花产量和品质的遗传改良新策略应用提供了理论依据，可能极大提升棉花的经济效益。

上述重要发现是中国科学院朱玉贤院士领衔的武汉大学棉花功能基因组学研究团队近年来取得的又一项重要研究成果，该团队多年来一直致力于利用基因组学和转录组学新技术，突破传统的作物育种方法，寻找全新的手段来提高棉纤维品质性状。近五年以来，研究团队成员朱玉贤院士，王坤教授和周宇教授合作发表包括《Nature Genetics》、《Nature Communications》、《Genome Biology》、《Nucleic Acids Research》、《The Plant Cell》、《Plant Biotechnology Journal》等多篇高水平研究论文，为棉花生物学的基础研究做出重大贡献。

在上述报道的这项研究中，武汉大学生命科学学院王坤教授和周宇教授为论文的共同通讯作者，武汉大学已毕业的王得和博士和博士研究生胡晓同学为论文的共同第一作者，朱玉贤院士指导了该研究的设计。比利时VIB研究所的Eugenia Russinova教授 （美国科学院外籍院士） 合作参与了该项研究工作。

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02886-0