2024年4月29日，我系张天真教授带领的“棉花精准育种设计”创新团队在Plant Communications 发表了题为“UDP-glucosyltransferase 71C4 controls the flux of phenylpropanoid metabolism to shape cotton seed development”的研究论文。该研究发现UDP -葡萄糖基转移酶71C4（UGT71C4）通过改变木质素和类黄酮代谢途径之间的代谢通量参与棉花种子发育过程，继而影响棉籽产量。

种子是裸子植物和被子植物特有的繁殖体，对物种的延续起着决定性作用，也是农业生产的基础。因此，研究调控种子发育基因的功能机制对于人们认识种子发育机理具有重要的理论和实践意义。但是，近些年针对棉花的研究仍然多集中在棉纤维的相关研究，棉籽长期以来被认为是棉纤维的副产品，很少重视棉花种子大小的研究。棉花种子发育的遗传机理仍需深入研究。

本研究发现了一个UDP-葡萄糖基转移酶基因UGT71C4，在棉花胚珠中特异表达，特别是在10DPA，15DPA和20DPA胚珠形成关键时期优势表达，推测UGT71C4在棉花种子发育过程中发挥作用。在陆地棉中，过表达UGT71C4后，棉花种子的长度和宽度增加，成熟种子籽指从10.66g显著提高到11.91g，衣分则从41.42%下降到37.55%。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得UGT71C4编码区序列不同类型的功能缺失突变体株系，发现棉花种子的长度和宽度减少，种子籽指从10.66g降低至8.60g，衣分则从41.42%增加到43.40%。对过表达和基因编辑UGT71C4棉花的胚珠生长发育进行观察，发现15DPA胚珠大小已发生显著变化，并且过表达UGT71C4株系棉花胚珠内部横切面的细胞数目增多，胚珠更大；而UGT71C4基因编辑株系的种子内部横切面细胞数目相对减少，胚珠更小（图1）。

图1 UGT71C4调控棉花胚珠细胞增殖，影响种子大小

结合转录组学和代谢组学联合分析，探究过表达和基因编辑UGT71C4株系15DPA胚珠中代谢物含量和相关基因表达量变化。结果表明，在过表达UGT71C4转基因胚珠中，苯丙烷代谢途径中类黄酮代谢物如柚皮素、查尔酮、二氢槲皮素和二氢山奈酚显著积累，合成通路关键催化酶CHS、CHI、F3H和F3'H在转录水平上显著上调。利用体外纯化蛋白技术和体外酶活反应筛选UGT71C4蛋白可能催化的代谢物，发现UGT71C4在体外专化催化柚皮素，其与供体UDP-葡萄糖结合，催化形成柚皮素-7-O葡萄糖苷。此外，柚皮素-4'-O-葡萄糖苷，槲皮素-4'-O-葡萄糖苷，山奈酚-3-O-阿拉伯糖苷，莨菪亭-7-O-葡萄糖苷和槲皮素-3'-O-葡萄糖苷等黄酮糖苷类代谢物也显著积累。与细胞增殖有关的基因受种子变大的影响也明显被激活，表达量上调，促进胚珠细胞扩张，形成较大的种子。

图2 基因编辑UGT71C4株系中木质素代谢途径被激活

在基因编辑UGT71C4株系的棉花胚珠中，木质素代谢途径通路关键催化酶如莽草酸/奎宁酸羟基肉桂酰转移酶、咖啡酸/5-羟基阿魏酸-3-O-甲基转移酶、肉桂酰辅酶A还原酶等催化酶表达量显著升高，影响木质素合成关键转录因子如NST1/2，MYB46，MYB83等基因表达量显著升高，木质素途径门户酶莽草酸/奎宁酸羟基肉桂酰转移酶表达量显著上升，相应的木质素合成前体如对香豆醇，阿魏酸等显著积累，造成木质素在胚珠中异位积累，限制胚珠生长发育，导致种子变小。

以上结果表明，过表达UGT71C4能将苯丙烷代谢通量引入类黄酮代谢，激活相关基因表达，促进种子中细胞增殖，种子增大。在基因编辑UGT71C4胚珠中苯丙烷代谢途径将更多代谢通量流入木质素代谢途径，与木质素合成有关的酶类及与木质素合成的关键转录因子表达被激活，增加木质素在胚珠中异位沉积，使胚珠过早木质化，胚珠生长发育受限，导致基因编辑UGT71C4后种子变小（图3）。

本研究发现，UDP-葡萄糖基转移酶能够调节苯丙烷代谢内部代谢通量分配，影响棉花胚珠发育，改变种子大小。UGT71C4可能是未来旨在改善产量研究的候选基因，在棉花种子发育，棉花产量提升，棉籽综合利用等方面具有重要的潜在价值。本研究为棉花及其他植物研究种子大小提供新见解，为提高作物产量奠定基础。

浙江大学博士研究生曹译文为论文第一作者，张天真教授为论文通讯作者，韩泽刚博士、张志远副研究员、司占峰副研究员、胡艳教授等参与了本项目的研究。本研究得到了中央高校基础研究、国家自然科学基金、新疆生产建设兵团项目以及浙江大学海南研究院科研启动基金等经费的支持。

信息来源：https://mp.weixin.qq.com/s/eGNQZx-yTuzv-bUPQa6xuA