研究表明基因启动子变异，决定棉花花色

　　2024年9月16日，Plant Biotechnology Journal 在线发表了由中国农业科学院棉花研究所分子遗传改良团队杨召恩课题组完成的“Natural Variations in the Cis-Elements of GhRPRS1 Contributing to Petal Color Diversity in Cotton”研究。该研究通过图位克隆和生化实验的策略揭示了GhRPRS1基因启动子顺式作用元件的自然变异对棉属花瓣颜色多样性的影响，为直系同源基因的演化提供了新见解，同时也为通过修饰启动子策略改良农艺性状提供了新思路。

　　植物通过色彩斑斓的花瓣来吸引授粉者，从而增加繁殖的成功率。同时，花瓣中的黄酮类物质也能保护花粉不受紫外线的伤害。花瓣颜色不仅是研究近缘物种进化的重要形态特征，也是研究同源基因功能分化的宝贵资源。尽管棉属花瓣颜色具有极高的遗传多样性，但棉属花色的形成和演化机制仍不明确。

　　本研究首先对棉属29个野生种和栽培种的花瓣颜色和地理分布进行了系统梳理，结果显示红色(粉色)花瓣棉种主要集中在美洲和澳洲，这表明花瓣颜色与棉花的地理分布密切相关。棉属的祖先种Kokia和Gossypioides的花瓣颜色为红色，而现代栽培种如陆地棉和亚洲棉的花瓣颜色更加多样，这表明棉属中的花色可能是由最初的红色逐渐演变成其他颜色的。

　　图一：棉属花瓣颜色的表型和遗传分析

　　图位克隆策略广泛的应用于重要农艺性状的遗传定位分析。为了挖掘调控花色形成的关键基因，本研究利用红花和白花陆地棉为双亲构建的人工分离群体对红色花瓣性状进行了遗传分析和精细定位，挖掘到控制红色花瓣形成的主效基因GhRPRS1。深入研究发现该基因源于二倍体野生棉-比克氏棉的渐渗，可能是早期的育种家通过远缘杂交引入陆地棉中的。研究进一步在红花背景下对GhRPRS1基因进行敲除，并在白花背景下对GhRPRS1进行过量表达，发现GhRPRS1能够同时调控花冠和花基部颜色的形成。结合靶向花青素代谢组学证实GhRPRS1通过调节液泡中花色苷的积累量来控制花瓣的颜色。

　　图二：棉花GhRPRS1基因的功能验证

　　尽管不同棉种的GhRPRS1编码序列存在多样性，但在棉花中过量表达不同棉种的GhRPRS1基因均能积累色素，这表明棉属植物中GhRPRS1运输花色苷的功能是保守的，并且暗示GhRPRS1启动子上的变异可能是导致棉属花色多样化的主要原因。研究通过表达量分析、启动子活性分析及花青素转运实验等，证明了GhRPRS1启动子上的顺式作用元件缺失导致其转录活性降低，进而减少从细胞质转运花色苷至液泡载体的数量，从而使花瓣颜色由红色变为黄色或白色。

　　图三：GhRPRS1启动子中的顺式作用元件变异导致棉花花瓣颜色的差异

　　表达谱分析表明红白花陆地棉花瓣中的花青素合成途径的基因表达量并无显著差异，而花色苷在液泡中的积累差异是红色花瓣形成的主要原因。本研究提出了棉花红白花形成的模型，在红花中GhRPRS1基因高量表达，翻译合成的GhRPRS1蛋白浓度较高，GhRPRS1作为转运载体，将细胞质中大量的花色苷转运至液泡中，花色苷在液泡中呈现出红色;在白花中，由于GhRPRS1基因启动子顺式作用元件的突变，导致转录活性降低，细胞质中转运载体GhRPRS1蛋白数量降低，从细胞质中转运花色苷至液泡的通量显著降低，液泡呈现白色。本研究从多个角度探讨了棉花红色花瓣着色的分子机制，并为利用花色进行辅助育种提供了新的遗传资源，这对于理解植物花色形成的演化及同源基因功能分化具有重要意义。

　　图四：GhRPRS1在红色和白色花瓣中运输花青素的工作模型

　　该研究得到了河南省杰出青年基金、国家重点研发计划、河南省重点研发计划和中国农业科学院创新工程等项目资助。中棉所与郑州大学联合培养博士生胡伟、中棉所陈艳丽助理研究员为该论文共同第一作者，中棉所杨召恩研究员、李付广研究员、高白白助理研究员为该论文共同通讯作者。