近日， Plant Biotechnology Journal发表了棉花色素腺（pigment gland）发育研究的重要成果。这是在棉花中发现的第一个同时调控腺体发育和次生代谢物合成的关键基因。该成果由河南大学棉花种子发育与改良团队教师邹长松教授、李志芳副教授等完成，研究中得到了宋纯鹏教授的指导。王朋宝博士与程祥飞博士为论文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目（No. U21A20213）和河南省杰出青年科学基金的资助（No.232300421007）。
色素腺体是棉属植物长期演化而成的次生代谢物合成和贮存的器官，镶嵌在棉花植株各个部位，棉酚（gossypol）作为其产生的主要次生代谢产物是把“双刃剑”。植株腺体棉酚是棉花抗虫的天然防物质；种子腺体棉酚对人和单胃动物有毒，限制种子蛋白和油脂的安全食用。深入解析棉花腺体发育和其次生代谢相互影响的机制，不仅有助于深刻理解棉属腺体发育和演化的规律，而且对培育种子无棉酚植株有棉酚的新型棉花提供重要的理论支撑。
腺体特异表达的GhVQ22基因是继腺体分化发育调控基因Gl2/Gl3之后发现的又一腺体发育重要调控基因。团队利用激光捕获显微切割技术，获得腺体发育早期阶段高度特异转录组（图1a），发现GhVQ22在腺体中特异表达（图1b,d），利用基因组编辑获得了完全敲除纯合棉花株系，突变体在茎、叶、种子、花瓣及棉铃壳等组织中均表现出腺体显著增大，约为野生型的3倍（图1e, f），半薄切片观察发现腺体溶生腔增大和鞘细胞层数增加；同时，腺体合成和积累的次生代谢物的成分和含量发生了巨大的改变，包括多种药物相关成分的变化（图1k）。棉花腺体是人类天然的药物宝库，除了棉酚被研究的较深入之外，还有大量的未知成分尚未被发掘，GhVQ22突变体的发现对于将腺体开发为新的药物底盘具有重要意义。
分子机制的解析发现腺体发育调控核心转录因子Gl2/Gl3可直接激活GhVQ22的表达，在GhVQ22突变背景下，Gl2/Gl3和其它腺体发育相关基因的表达水平显著升高；大量次生代谢物合成途径相关基因也发生了显著的改变（图1q）。综上所述，研究人员推测：GhVQ22对腺体发育的调控可能依赖于Gl2/Gl3的遗传网络，从而影响腺体细胞分裂，腺体细胞数量的变化可影响次生代谢物合成，次生代谢物改变也会影响腺体的发育（图1r）。本研究揭示了腺体发育和次生代谢物合成这两个看似独立的过程实质上是偶联的，至于这种偶联机制是如何发挥作用的，尚需开展大量的遗传和基因功能分析。
原文链接：
https://doi.org/10.1111/pbi.14371
文章来源：植物生物技术Pbj
