文：回溯档案

编辑：回溯档案

棉花（棉属）是世界上最重要的天然纤维作物，是一种重要的油籽，也是优质蛋白质的重要来源。

棉属包括45个二倍体和7个四倍体，两个异体四倍体，G. hirsutum L. 和 G. barbadense（2n = 4x = 52，AADD），起源于 A 基因组非洲物种 G. herbaceum （A1）或植物园（A2）（2n = 2x = 26，AA）和与美国D基因组物种G. raimondii（2n = 2x = 26，DD）的杂交分别提供了全球棉花产量的95%和2%来自约80个国家的种植。

提高生产力以满足棉纤维消耗量的增加，严重依赖于传统劳动密集型任务的机械化，与水稻和玉米一样，植物结构的基因改造对于优化棉花用于机械化生产非常重要。

已经提出了各种架构，并用于适应多热带气候并提高育种计划中棉花产量的潜力。

在本研究中，我们表征了具有确定簇子的cl突变体，使用基于谱的克隆，我们鉴定了与cl性状相对应的GoCEN基因，转基因证据、转录组和多态性分析表明，在漫长的科学棉花育种历史中，GoCEN的自然突变促进了棉花结构和早熟。

cl性状影响生殖结构分布

cl性状是控制植物结构的关键因素，在多毛苜蓿和巴巴登格氏菌中表现出广泛的遗传变异，野生型生长习性是“不确定的”，连续产生果枝，cl突变体是“确定的”，果实簇状。

为了量化cl对棉花结构的影响，我们比较了35个Upland（G. hirsutum野生型CCRI063;cl突变体段3和超兆6）和170个海岛基因型（巴巴登斯野生型皮马S-18;CL突变体Hai1和Xinhai。

cl突变体的特征是子枝终止，节点、叶片和棉铃数量减少，表明CL对植物结构和生殖结构的变化有实质性贡献。

统发育研究表明，GohirD07G113500是抗痘中桡枝（CEN）和番茄自发（SP）的共直系同源物，分别调控花序结构和开花时间，基于这些结果，我们将GohirD07G113500（GhCEN-Dt）作为cl性状的候选者。

为了明确cl的序列变异，我们克隆了来自1个多毛G.品种/品系（35个野生型，Yumian3和CCRI 063;2个cl突变体，Chaozao6和170个G. barbadense品种/品系（两个野生型，Pima S-18和1-16;两个cl突变体Hai3和Xinhai35）的相应基因组序列。

基于来自多毛毛霉 TM-1 的 CL 基因组序列 ，我们发现 063 个突变将多毛霉基因型与 CCRI1035 和 Yumian1037 区分开来。

在G. barbadense中，Hai2和Xinhai具有相同的突变，“T”到“C”取代将脯氨酸（P）变为Ser（S），对CEN cDNA序列的分析证实了G. hirsutum和G. barbadense之间的两个突出的多态性，也表明四个SNP区分了At_genome和Dt_genome等位基因。

原位杂交显示GoCEN在整个器官原代中表达，GoCEN优先在主茎的腋窝和顶端分生组织中表达，特别是在前血管束周围的狭窄区域和生长尖端中表达。

荧光检测结果表明，GhCEN-Dt-GFP和GhCEN-At-GFP均位于转化烟草植株的细胞核中。

GoCEN的RNAi沉默促进棉花花芽形成

病毒诱导的基因沉默（VIGS）提供了一种有吸引力且快速的下调基因表达的方法，VIGS载体已被用于鉴定棉花中的基因功能。

VIGS对环境敏感，会随时间波动，因此，TRV：CLA处理通常用作阳性对照，其敏感性高，在阻断叶绿素产生后易于观察。

在这项研究中，接种后两周后，所有接种TRV：CLA的植物中都显示出许多新出现的光漂白叶，这表明棉花中TRV的全身沉默是高效的。

然后克隆一个241 bp的GoCEN cDNA片段，对应于来自CCRI793的GohirD1013G07的113500-35 bp编码碱基，并插入到载体pTRV2中。

为了鉴定GoCEN在不同棉属物种中的功能，我们将TRV，GhCEN沉默片段转化为植物园，巴巴登斯和毛茜，与阴性对照相比，所有三个物种的TRV：GhCEN沉默棉花的GoCEN转录本水平均显着降低。

用棉花的TFL1蛋白进行系统发育分析预测的多肽序列，另外两个TFL1样分支TFL1-L1和TFL1-L2与AtTFL1具有同源性。

我们进行了TR-PCR检查TFL1-L1和TFL1-L2的mRNA表达水平的变化，结果表明野生植物与TRVCEN沉默植物之间没有差异。

TRVCEN沉默植株第5节处出现花芽，1种栽培品种野生型棉植株未见花蕾，这些结果表明，CEN的下调促进了棉花花芽的形成。

然而在CEN沉默的物种中，主茎上主轴的过程停止了生长，并且第一片叶子被主茎上的花蕾所取代， 这在野生型和cl突变体中不存在。

众所周知，FT从叶子输送到枝条顶端，LFY充当主调节器来协调整个花卉网络，FT和LFY都是花原基分化所必需的。

因此采用RT-PCR分析TRVCEN沉默后GoFT和GoLYF表达的变化，结果表明GoLFY在TRV，CEN沉默植株中的表达显著增强于野生植株，而GoFT在TRV：CEN沉默植株中的表达略高于野生植株。

上述结果表明，GoCEN在控制营养-生殖过渡和植物结构方面具有重要作用。

一些独立的证据支持这样的断言，即CEN/TFL1基因是多个物种植物结构的重要调节因子，主要负责将栽培棉花转化为确定的生长习性，这是机械收获的核心特征，使棉花成为世界主要的纺织纤维。

具有确定的“集群结果”的cl突变体的遗传谱导致了GoCEN基因的鉴定，转基因证据、转录组和多态性分析表明，GoCEN中的自然突变在整个科学棉花育种史上促进了棉花结构和早熟。

与GoCEN相关的确定性的选择性优势突出在于，几个独立的突变各自赋予不同的棉花品种和基因型确定的生长习性。

Bradley等人和Foucher等人描述了类似的情况，其中具有不确定生长习性的多个突变体是由拟南芥和豌豆的独立突变引起的。

先前认为，第四外显子113位的巴巴登斯G.突变在赋予确定性方面具有关键作用，然而据我们所知，在本研究中描述的第二个外显子中导致Asp-63与Asn氨基酸取代的突变以前从未在任何其他物种中报道过。

核碱基的遗弃也导致了段063和小仙2的阅读帧移位突变，这种突变可能使GoCEN蛋白失活或阻止其与假设的合作者相互作用，导致具有簇果的果实枝确定。

在棉花中，FD可以与FT和CEN（TFL1同系物）相互作用，从而拮抗顶端的FT活性，并可能作为开花过渡的转录抑制因子，导致营养生长延长。

虽然FT在沉默植株中的表达量没有显著增加，但FT的活性可以进一步增强与FD和启动子花的相互作用，GoCEN可以通过诱导MADS-box和AUX / IAA转录因子以及激活植物激素信号转导来进一步调节开花时间。

VIGS的CEN沉默促进了MADS盒蛋白的表达，包括8 SEP，6 AGL6，5 AP1，4 PI和3AG6c），可以相互作用以调节开花时间和花器官形成，相比之下，6个LHY和4个AUX / IAA转录因子同系物在GoCEN沉默植物中下调。

LHY和SVP相互作用延迟拟南芥开花，AUX/IAA转录因子导致胚胎顶端模式中的子叶放置异常，Sun等人也报道了多激素信号转导途径与棉花花诱导密切相关，揭示这些蛋白质的作用将深入了解决定植物结构和花朵形成的分子机制。

VIGS的沉默CEN赋予了一种超越cl突变体的新表型，主茎终止于两个四倍体棉花品种的花蕾中，该表型与先前的报道一致，可能是由于沉默对同源GoCEN-AT和GoCEN-Dt的综合影响。

换句话说，两个四倍体棉花亚基因组之一中的功能性GoCEN等位基因可以维持主茎顶端的正常营养生长，而两个同源物的沉默可能导致主茎终止在花蕾中。

我们将两个四倍体栽培棉花的cl性状映射到16号染色体，Chen等人和Zhu等人也是如此，但Silow 报告说，来自皮马棉花（G. barbadense）的cl性状位于同源7号染色体上。

在这项研究中，我们表明GoCEN-At和GoCEN-Dt仅相差四个核苷酸，并且通过表达和CEN沉默分析在植物园中具有几乎相同的功能。

TFL1/CEN对异体四倍体棉结果类型和开花时间的遗传剂量影响具有重要意义，TFL1/CEN已通过定位克隆在二倍体物种中进行研究。

然而我们发现沉默多个功能相似的基因家族成员的非加性后果提供了一个有趣的例子，说明多倍体亚基因组在合并到一个共同的细胞核后如何共同进化。

此外，这一发现意味着发现或工程具有额外TFL1 / CEN拷贝的基因型（例如，通过自然单基因复制或人工基因组编辑）可能导致新的表型，例如赋予极端确定性或快速开花。

这一含义为植物结构和花形成研究提供了新的方法，以及利用CEN基因寻找或创造新的作物表型的新机会。

cl变化与品种适应高纬度无霜期短的密切联系表明，有机会扩大棉花和其他作物的生产范围，TFL1/CEN在SAM维持枝条形成方面起着至关重要的作用。

本研究显示，GhCEN在主茎和腋芽的SAM中高表达，CEN-Dt的过表达推迟了花的过渡，而CEN沉默促进了棉花的开花。

因此，cl可以加速开花，为高纬度和低密度早期种植培育的G. barbadense棉花中的丰度提供了可能的解释。

同样将隐性sp基因引入番茄品种导致确定的生长习性并促进机械收获，豆类和豌豆也有确定的品种，因此，抑制CEN可能为改善植物结构和更好地适应棉花和其他作物在无霜期短的地区进行栽培提供策略。

结论

在本研究中，利用基于谱的克隆策略，我们成功克隆了一个基因GoCEN-Dt，是抗簇果的同系物，负责棉花中具有簇果（cl）的确定生长习性的四种自然突变。

GhCEN-Dt的过表达抑制了营养顶端向生殖芽的转变，而沉默GoCEN导致所有顶端提前开花和确定生长习性，我们评估了CEN基因对棉花植物结构和开花过渡的重要性。

中国棉花育种选择cl突变作为标记性状，因为该突变与早熟有关，CEN基因突变可以增加全球棉花产量并加速开花，为其在高纬度和高密度早期种植培育的棉花中的丰度提供了可能的解释。

参考文献

【1】温德尔JF，格罗弗CE。棉属棉的分类学和进化。在：方DD，珀西RG，编辑。棉花。2、农学专著；2015.第25–44页。

【2】源到汇操纵对棉绒产量和产量成分的影响.Agron J.1994;86：731–5。

【3】汤普森AM，于J，蒂默曼斯MCP，施纳布尔P，克兰茨JC，斯坎伦MJ，穆尔鲍尔GJ。玉米地上部分生组织结构的多样性及其与植物形态的关系.G3基因。2015;5（5）:819–27。

【4】今泉T，凯SA。开花的光周期控制：不仅是巧合。趋势植物科学。 2006;11：550–8。

【5】McGarry RC， Prewitt SF， Culpepper S， Eshed Y， Lifschitz E， Ayre BG. 棉花中的单极和对称分支结构受棉多毛单花桁架和自突直系同源物的差异调节。新植物醇。2016;212(1):244–58。