棉纤维伸长关键因子GhHOX3的调控机理研究

Cotton is an important economic crop, which provides the most important raw material for textile industry. Despite that great progresses have been made in cotton genomics and genetic studies of fiber traits formation, our understanding of the dynamics and regulation of cotton fiber development remains limited. Our previous study identified an HD-ZIP IV transcription factor, GhHOX3, as an important regulator of cotton fiber elongation. GhHOX3 can directly activate the expression of GhRDL1 and GhEXPA1 involved in cell wall loosening. GhSLR1, a DELLA protein functioning as repressor of the phytohormone gibberellic acid signaling, binds GhHOX3 and inhibits its activity. We assume that GhHOX3 is a hub of cotton fiber development as it also interacted with several other transcription factors. This project will focus on the molecular function of GhHOX3 and identifying genes or the pathway critical for cotton fiber development. Several candidate genes functionally related to GhHOX3, including GhBZ1, GhARF2/6, GhTOP4 and GhSLR1, have been isolated and their functional studies are ongoing. In particular, we will pay special attention to the bHLH transcription factor GhBZ1which likely functions downstream of GhHOX3 in promoting fiber elongation. The comprehensive study of GhHOX3 will better our understanding of molecular mechanism that regulating cotton fiber development and facilitates genetic improvement of this cash crop.

棉花是重要的经济作物，棉纤维是最重要的天然纺织原料。研究棉纤维发育的调控机制，提高棉纤维品质是当前棉花分子育种的重要内容。我们发现HD-ZIP IV类蛋白GhHOX3是棉纤维伸长的关键转录调控因子，GhHOX3对下游基因的激活受到赤霉素信号抑制因子DELLA蛋白的抑制，GhHOX3还和其它激素信号传递的关键调控因子互作，可能是多个信号途径交叉作用调控纤维细胞发育的一个关键节点。本项目将以GhHOX3为中心，主要从基因表达调控和蛋白相互作用两个方面研究GhHOX3所介导的上游信号调控棉纤维发育的分子机制。分离鉴定GhHOX3调控的重要基因（BZ1，ARF2/6，TOP4和SLR1等），研究它们在棉纤维发育中的生物学功能及其调控机制。以期进一步完善棉花HOX3的生物学功能研究，揭示棉纤维发育新的调控机理，同时也加深我们对广泛存在于在真核生物中的HOX3同源蛋白的功能认识。

棉花是重要的经济作物，棉纤维是最重要的天然纺织原料。我们的前期研究发现，陆地棉中HD-ZIP类转录因子GhHOX3对棉纤维伸长具有重要调控功能，可与其他多种转录因子形成异源多聚体，可能是调控纤维细胞发育过程中的一个重要节点。本项目围绕棉花GhHOX3的上下游基因筛选和互作蛋白的功能鉴定开展研究工作，取得如下结果。对GhHOX3基因表达调控进行研究，分离不同棉种HOX3基因4K大小的启动子序列，进行了序列差异性比较，通过Dual-LUC 实验比较了MYB、MIXTA和HD-ZIP IV转录因子对启动子活性的影响；鉴定了棉花GL3类转录因子GhDEL65和GhDEL61基因功能，证明棉纤维细胞中同样存在MYB-bHLH-WD40蛋白复合体，进一步研究发现GL1类和MIXTA类的MYB转录因子可能通过不同的调控方式参与对棉纤维细胞发育的调控（Physiol Plant, 2016）。对GhHOX3下游因子GhPRE1（GhBZ1）进行功能分析，发现过表达GhPRE1可促进纤维细胞的伸长，该基因在陆地棉和海岛棉中呈现强烈的A亚组偏向性表达，其D亚组启动子中含有一个典型TATA box的缺失，这种调控元件的变异可能是多倍体基因偏向性表达的重要机制（New Phytologist，2018）。分离了HOX3互作蛋白GhTOP4、GhARF2、GhSLR1并进行了功能研究，解析了受microRNA调控GhTOP4调控棉纤维伸长和次生壁合成的分子机制。microRNA-TOP4基因模块和PRE1可用于棉纤维改良。本项目研究工作进一步完善了棉花HOX3的生物学功能研究，揭示棉纤维发育新的调控机理，为棉纤维品质改良提供了靶基因。