近日，浙江大学关雪莹团队在国际知名综合性期刊Advanced Science上发表了题为“GhLPF1 Associated Network Is Involved with Cotton Lint Percentage Regulation Revealed by the Integrative Analysis of Spatial Transcriptome”的研究论文。该研究利用空间转录组技术辅助全基因组关联分析研究（Genome-wide association study, GWAS），鉴定到了与棉花纤维产量相关的主效基因GhLPF1，并且进一步解析了GhLPF1相关的分子调控网络。
棉花是世界上重要的天然纤维作物。纤维起始于种子的表皮，是纺织业的重要原材料。陆地棉（Gossypium hirsutum L.）具有高产、适应性强、分布广的特点，是栽培最广泛的棉种。随着全球人口的增长和工业化的不断发展，纺织工业对棉花的需求持续增长。培育高产的棉花品种是棉花育种者不懈追求的目标。在过去的几十年里，通过育种家们的驯化与选择，棉花品种的衣分（lint percentage, LP）等纤维产量性状得到了显著改善。然而，调控纤维产量性状的功能基因及其分子调控机制仍然知之甚少。纤维产量是复杂的数量性状，目前主要通过精细定位、GWAS分析等方式挖掘控制纤维产量的主效基因，然而往往受限于分析得到的QTL区间过大，从而无法有效确定调控性状的因果基因。
该研究构建了一个工作流程（图1）来揭示与纤维产量相关的功能基因调控网络。在该实验室前期工作中，通过对陆地棉群体进行基因组重测序和GWAS分析，确定了与LP相关的QTL位点。为进一步缩小候选基因范围，该研究构建了开花后一天（1 day post anthesis, 1 DPA）棉花胚珠的空间转录组图谱，并对候选基因在纤维起始阶段的空间表达模式进行表征，鉴定到了在胚珠表皮细胞中特异性表达的R2R3 MYB转录因子编码基因GhLPF1。GhLPF1转基因棉花的表型进一步证实了其具有调控LP的功能。
图1 构建纤维调控网络的工作流程
此外，该研究还通过RNA-Seq和CUT&Tag-Seq联合分析鉴定到了GhLPF1直接调控的下游基因(Direct downstream genes，DDGs)，揭示了GhLPF1作为转录抑制因子，下调其下游基因的表达。空间转录组数据显示，GhLPF1-DDGs也主要在胚珠的外珠被和珠柄中表达，与GhLPF1的表达特征基本一致。此外，对GhLPF1-DDGs在陆地棉群体中的转录水平与LP进行相关性分析发现，GhLPF1-DDGs在群体中的表达变异与LP呈现显著负相关，这一结果进一步说明了GhLPF1相关的基因调控网络与LP性状存在的关联性。该研究结果调节棉花纤维产量提供了一个新的R2R3 MYB编码基因GhLPF1及其相关分子调控网络，有助于在未来精准育种中进一步提高陆地棉的纤维产量。
浙江大学棉花精准育种团队在读博士生吴虹宇、浙江大学海南研究院助理研究员汪露瑶、在读博士生赵胜军为论文共同第一作者，浙江大学棉花精准育种团队关雪莹研究员为论文通讯作者。浙江大学棉花精准育种团队张天真教授、赵汀研究员，浙江大学海南研究院张志远副研究员参与了该研究。该研究获得国家重点研发计划、浙江大学海南研究院专职科研人员启动项目、新疆维吾尔自治区金融科技项目、国家自然科学基金、三亚市科技产业和信息化局和三亚崖州湾科技城博士科研创新基金的资助。
https://doi.org/10.1002/advs.202414175
