在全球气候变化的大背景下，干旱已成为影响农作物产量的主要环境因素之一。作为世界上最重要的天然纤维来源，陆地棉如何在干旱条件下保持高产？最新研究为我们揭开了这一谜题的一角。

近日，来自康奈尔大学博伊斯汤普森研究所的Andrew Nelson团队在Plant Biotechnology Journal发表研究成果“Regulation of a single inositol 1-phosphate synthase homeologue by HSFA6B contributes to fibre yield maintenance under drought conditions in upland cotton”，该研究对亚利桑那州低地沙漠水分充足和水分有限条件下生长的22种遗传和表型多样化的陆地棉花进行了转录组测序。通过基因共表达分析，发现了一组胁迫应答基因，特别是转录因子GhDREB2A-A和GhHSFA6B-D，它们以aba独立的方式与限水条件下产量的提高相关。利用DNA亲和纯化测序(DAP-seq)和来自拟南芥的公开胞囊数据来鉴定这两种tf的靶点。在这些靶标中，有两个以前通过基于全基因组关联研究(GWAS)的方法鉴定的皮棉产量相关基因，GhABP-D和GhIPS1-A。采用生化和系统发育方法确定GhHSFA6B-D对GhIPS1-A的正向调控，并且这种调控机制仅针对含有A(旧大陆)基因组的棉属植物。最后，在GhHSFA6B-D结合位点上发现了一个SNP，该SNP与限水条件下的产量呈正相关。这些数据揭示了非生物胁迫与棉花纤维产量之间的调控关系。

图1. 陆地棉板的田间试验遗传图谱及主要亚群对干旱的生理和分子响应变化

作者对22种基因型和表型多样的陆地棉品种在充足水分和水分限制条件下的转录组进行测序，并进行了系统发育分析以及对代谢物谱作为胁迫响应的分子表型分析，发现了与水分限制条件下改善产量相关的一组胁迫响应基因，特别是转录因子GhDREB2A-A和GhHSFA6B-D。

图2. 水分亏缺条件下的性状和共表达关联

研究人员利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）技术，构建了一个复杂的基因调控网络。在被测性状中，有5个性状和9个代谢物与18个模块呈显著相关。其中，皮棉产量与绿松石模组呈正相关最高，萜类和碳水化合物代谢产物与鲑鱼模组呈正相关。根据模块-性状相关性，研究人员选择关键模块进行进一步的功能分析，结合GO富集、转录因子(TF)结合基序富集和基因表达方差，结果表明，基于共表达网络的方法可能会揭示植物发育和产量在水分限制下的关键基因。

图3. 利用DAP-seq鉴定HSFA6B和DREB2A靶点

研究人员进一步比较了该模块中富集GO/KEGG项的基因，以及之前GWAS中鉴定的7个基因，并对存在TF基序的棉绒产量进行了比较，发现棉花 DREB2A 和 HSFA6B 同系物可能是观察到的水分胁迫与纤维产量之间关联的候选者。为了验证推测，对棉花 DREB2A 和 HSFA6B 进行了 DNA 亲和纯化测序 （DAP-seq），并检查了来自两个亚基因组的同源物的 DNA 结合能力，数据表明，GhHSFA6B-D和GhDREB2A-A可能调控棉花干旱胁迫响应通路基因的表达。

图4. 与皮棉产量相关的转录本模块的综合网络显示

为了更好地可视化这两种TF与皮棉产量模块中其他基因之间的相互作用，包括彼此之间的相互作用，研究人员使用cytoscape将数据合成为调控网络，选择具有富集 GO 项的基因、KEGG 通路以及与皮棉产量高度相关的基因，并整合了来自WGCNA的共表达信息，来自DAP-seq数据的TF靶标结合以及来自STRING数据库的蛋白质-蛋白质相互作用。

图5. GhIPS1-A和GhHSFA6B-D之间相互作用的EMSA验证

GhHSFA6B-D转录因子被发现正向调控GhIPS1-A基因，这是一种编码肌醇-1-磷酸合成酶的基因，对植物应对干旱胁迫至关重要。这种调控机制在含有A基因组的棉花物种中是特有的，表明了棉花在进化过程中形成的复杂调控网络。

图6. 影响GhHSFA6B-D与hips1 -a结合的HSE邻近SNP的鉴定

在GhIPS1-A基因的启动子区域，研究人员发现了一个与纤维产量正相关的单核苷酸多态性（SNP）。研究还观察到在水分限制条件下，A亚基因组的表达偏好变得更加明显。这表明在应对干旱和炎热环境时，A亚基因组的基因可能起到了更为重要的作用。这一发现不仅为耐旱棉花育种提供了分子标记，也揭示了棉花在驯化过程中可能经历了自然选择。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14402

文章来源：植物生物技术Pbj