Advanced Science | 河北农业大学揭示丝氨酸蛋白酶抑制子基因调控棉纤维品质的分子机制

棉花是全球最重要的经济作物和纺织工业天然纤维来源，产业发展关乎我国国计民生。其纤维发育过程尤其是纤维伸长阶段，直接决定着棉花的品质和产量性状，这一复杂生物学过程的重要基因和分子调控机制一直是棉花生物学和育种学研究的重要科学问题。

近日，河北农业大学马峙英教授所带领的棉花遗传育种团队在Advanced Science发表GbSER02 Interacts With GhVOZ1 to Promote Fiber Elongation by Modulating Gibberellin Synthesis in Cotton的研究论文，首次发现丝氨酸蛋白酶抑制子 (serpin) 基因调控棉纤维长度和细度的新功能，揭示了serpin家族基因GbSER02通过与转录因子GhVOZ1互作调控赤霉素生物合成，进而促进棉纤维伸长的分子机制，阐明了棉纤维发育的关键调控网络，开发了可用于育种的分子标记，为重要性状分子设计育种提供了新的理论依据和技术路径。

基于海岛棉（Gossypium barbadense）、陆地棉（Gossypium hirsutum）多品种纤维发育转录组、海陆品种比较基因组、转基因试验、基因互作试验和海陆品种杂交后代株系的田间试验等系列研究，取得以下创新发现：

1. 一种serpin基因在海岛棉纤维伸长期呈现优势表达，而在陆地棉中低表达，两者在“种”分化过程中，在A11染色体第517位产生了G/T SNP，该变异在陆地棉中形成终止密码子（TAA），导致产生缺失RCL结构域的截短蛋白。

2. 海岛棉GbSER02和陆地棉GhSER02的 G/T SNP517th 是调节细胞长度的关键突变，较陆地棉纤维长、纤维细的海岛棉，其GbSER02正向调节纤维细胞长度和细胞壁薄厚，从而呈现纤维长、细（马克隆值低）。

3. 在陆地棉转基因表达的GbSER02可与转录因子GhVOZ1互作，后者常态情况下与GA3ox1的启动子结合以抑制GA3生物合成，GbSER02可解除这种抑制，进而影响GhVOZ1-GhGA3ox1通路中细胞壁松解和类黄酮代谢相关基因。

4. GbSER02-GhVOZ1-GhGA3ox1调控模块具有双重作用机制，一方面激活细胞壁松弛相关基因表达，另一方面抑制类黄酮合成通路，从而协同促进GA介导的纤维细胞伸长，导致纤维长、细优良性状。

5. 鉴定了导入海岛棉染色体片段的陆地棉渐渗系群体基因型和田间纤维品质性状表现型，开发了GbSER02基因的KASP分子标记，可用于创制具有海岛棉血统的陆地棉新种质，从而助推陆地棉纤维品质和产量的分子改良。

图 GbSER02-GhVOZ1-GhGA3ox1 模块对纤维伸长的正向调节作用

河北农业大学农学院贾浩博士、张冬梅副教授、谷淇深副教授为论文并列第一作者，张艳教授、马峙英教授、王省芬教授为通讯作者。该研究得到河北省自然科学基金创新群体、国家自然科学基金、河北省重点研发计划以及河北省科技计划等项目支持。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1002/advs.202417578