近日，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“Two duplicatedGhMML3 genescoordinately control cotton lint and fuzz fiber development”的研究论文。该研究基于图位克隆和转基因技术，鉴定出隐性光籽基因GhMML3_D12，揭示了两个重复的GhMML3基因（GhMML3_A12和GhMML3_D12）如何通过剂量效应协同调控长绒与短绒纤维的发育，为棉花纤维发育的遗传与分子机制提供了新的见解。

棉花种子表面存在两种纤维：长绒和短绒。长绒作为重要的天然纺织原料，在棉花生产中占据重要地位；而短绒无法通过轧花去除，会造成加工过程中长绒工业的损失。虽然棉花纤维的研究已取得诸多进展，但长绒与短绒纤维的发育机制仍未完全解析，因此从分子水平阐明棉纤维起始发育的分子遗传机制对于提高棉花纤维产量育种具有重要的价值。

本研究将TM-1与隐性光籽突变体n₂NSM为亲本配置F₂和BC1群体，通过图位克隆将n₂基因精细定位到D12染色体上的一个75.36 Kb区域，进一步分析候选基因表达量和序列差异，最终将候选基因确定为GhMML3_D12。在野生型棉花（J668）中通过CRISPR/Cas9敲除GhMML3_D12，导致无短绒的表型。在n₂NSM突变体中过表达GhMML3_D12恢复了突变体中短绒的发育。扫描电镜和石蜡切片观察发现GhMML3_D12基因编辑株系中短绒细胞突起数量减少，而过表达株系中的短绒细胞突起数目相对增多（图1）。

图1 隐性光子基因n₂的图位克隆及功能验证

研究进一步发现，GhMML3_A12和GhMML3_D12通过协同作用调控长绒与短绒纤维的发育。通过同时敲除这两个基因，成功产生了无纤维（无短绒和无长绒）突变体#mml3s。当GhMML3_A12或GhMML3_D12中的任何一个基因保持正常功能时，种子表面仍会产生长绒纤维。通过#mml3s与J668创制F₂群体并分析后代纤维表型，发现GhMML3的两个重复基因对纤维起始的影响表现出剂量效应。具体来说，若任一基因保持功能，种子表面仍会产生长绒纤维；而当两个基因都突变时，纤维完全丧失；当野生基因型的GhMML3s的总拷贝数降低时，种子表面的短绒随之不断减少。F₂后代表型差异还暗示了GhMML3_A12和GhMML3_D12在功能行使上存在差异。

通过分子实验验证了GhMML3_D12能够直接结合两个已知的纤维起始关键基因GhHD-1和GhMYB25的启动子，激活它们的表达，从而促进纤维起始的进程。通过比较转录组和单细胞测序数据，构建了由GhMML3调控的基因网络，揭示了GhMML3作为纤维发育调控网络中的关键枢纽基因。该网络包括了多个关键转录因子，如GhMYB25、GhHD-1、GhPDF1和GhHOX3。研究还发现网络中的这些转录因子和脂质代谢相关的基因在纤维起始过程中高度表达，这些基因可作为研究纤维起始发育的重要候选基因。研究表明GhMYB25和GhHD-1等基因是GhMML3的下游关键基因，参与纤维起始过程；而GhHOX3则在0 DPA时开始表达，并在1 DPA达到峰值，主导纤维的早期伸长过程；GhMML3通过这些基因进而调控长绒和短绒纤维的发育。综合以上结果，提出了GhMML3基因调控纤维细胞起始的模式图（图2）。

图2 GhMML3基因调控纤维细胞起始发育模型

浙江大学张天真教授为该论文的通讯作者，浙江大学农业与生物技术学院博士研究生陈瑞和张军博士为论文的共同第一作者。朱乾浩教授和胡艳教授为本研究提供了诸多建议和帮助。相关工作受到中央高校基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金、新疆生产建设兵团、浙江大学海南研究院科研启动经费的支持。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101281