近日，华中农业大学棉花遗传改良团队在国际知名杂志The Plant Cell发表了题为“A dominant negative mutation of GhMYB25-like alters cotton fiber initiation, reducing lint and fuzz”的研究论文。该研究阐明了纤维起始调控网络的关键节点GhMYB25-like及其自然突变GhMYB25-like_AthapT如何通过剂量效应和显性负性效应共同决定棉花长绒和短绒的起始。该研究为棉花纤维细胞起始分化和细胞命运决定提供了新见解，为棉花改良提供了理论基础。
棉花纤维是由胚珠表皮细胞突起、特化形成的一种单细胞种子毛，是研究细胞命运决定的优良模型。根据成熟纤维的长度可以将纤维分为“长绒”和“短绒”两种类型。长绒的长度长且整齐，是重要的天然纺织原料；短绒的长度较短，无法通过轧花从种皮上去除。轧花时，种子表面的短绒与轧花机的皮辊接触所产生的摩擦力会造成长绒损失，因此选育无短绒且高衣分的棉花品种在生产上具有重要的意义。自1927年报道第一个纤维突变体以来，虽然已陆续克隆了一些控制长绒、短绒起始的位点（如N1，li3，n2），但是这些位点作用的分子机制目前尚未完全解析。并且无短绒性状通常和低衣分性状紧密连锁，因此想要将这些位点应用于育种，仍需要明确其遗传基础。
本实验室前期将野生型徐州142和徐州142无绒无絮突变体杂交的F2后代进行了连续10代的自交，获得一个有长绒无短绒的自交系，LM（linted-fuzless）。LM自交后会产生有长绒有短绒（linted-fuzzy，LF）、有长绒无短绒（LM）和长绒少无短绒（less linted-fuzzless，LL）三种表型的个体，并且分离比符合1：2：1，说明在LM自交群体中长绒多少和短绒有无由同一位点控制。通过图位克隆鉴定该位点对应的基因为纤维起始关键转录因子GhMYB25-like_At ，该TF的DNA结合域上发生单碱基突变（A314T），导致其关键氨基酸发生非同义突变（K105M），将该突变命名为GhMYB25-like_AthapT（图1）。
为了验证GhMYB25-like_At的基因功能，获得了两个GhMYB25-like_At的CRISPR敲除突变体CR1和CR2。CR1株系中GhMYB25-like_At被完全敲除，但突变体CR1的长绒相较于野生型Jin668没有显著变化，仅短绒略有减少；CR2株系的编辑位点在第二个外显子上，产生了丧失功能的非全长蛋白，但CR2株系的长绒较于野生型略有减少，短绒几乎完全消失。功能丧失的蛋白（GhMYB25-like_AthapT和GhMYB25-like_AtCR2）导致的短绒表型变异比At亚组完全敲除蛋白（GhMYB25-like_AtCR1）更加明显，基于突变体表型推测GhMYB25-like_AthapT/CR2可能是显性负性突变（图1）。
图1. 精细克隆LL的突变位点
通过胚珠外珠被的单细胞测序比较了野生型LF和突变体LL的纤维发育过程，发现LL的纤维细胞无法维持纤维细胞命运，发育停滞、无法突起（图3. A-C）。GhMYB25-like作为纤维起始调控网络的核心基因调控一系列纤维起始关键基因GhPDF2、CYCD3;1和PLDs的表达（图2）。
图2.下调纤维起始相关基因的表达导致纤维细胞起始受阻
通过分子实验验证了GhMYB25-like_AthapT/CR2不仅导致自身激活下游基因的能力减弱，还与野生型蛋白GhMYB25-like互作并抑制其结合下游基因启动子的能力。以上结果进一步证明了GhMYB25-like_AthapT/CR2的显性负性效应（图3、图4）。
图3. GhMYB25-like_AthapT与GhMYB25-like互作并抑制其功能
在LM自交群体中，长绒多与长绒少单株的比例为3:1，长绒少相对于长绒多为隐性性状；有短绒与无短绒单株的比例为1: 3，无短绒相对于有短绒为显性性状。该位点在长绒和短绒表型上表现出不同的显隐性，是GhMYB25-like的剂量效应和GhMYB25-like_AthapT的显性负性效应共同作用的结果。GhMYB25-like_AthapT通过显性负性效应抑制短绒起始，但是在长绒起始阶段，该位点的显性负性效应会被高丰度的GhMYB25-like蛋白所稀释，从而使得该突变作为隐性位点控制长绒起始（图3）。
图4. LF和LL纤维起始模式图
华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室、洪山实验室的涂礼莉教授和林忠旭教授为该论文的共同通讯作者，赵冠男博士为该论文的第一作者，棉花团队首席张献龙教授、金双侠教授、王茂军教授共同参与了研究。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和华中农业大学交叉科学研究院的资助。
文章链接：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae068/7623567?searchresult=1