染色体结构变异调控陆地棉株高新机制

　　2024年8月22日，由中国农业科学院棉花研究所何守朴和杜雄明课题组完成的题为“The strigolactone-gibberellin crosstalk mediated by a distant silencer fine-tunes plant height in upland cotton”的研究成果在Molecular Plant在线发表。该研究利用全基因组关联分析(GWAS)鉴定到陆地棉A01染色体上控制株高的主效位点(PH1)，并解析了其独特的分子调控机制，为棉花株型的遗传改良提供了新的思路。

　　目前我国棉花主产地集中在西北地区，采收均高度依赖机械化。培育理想株型(半矮紧凑)的棉花新品种对合理增加种植密度，提高纤维产量，降低收获成本和减少生长调节剂使用等均具有重要实践意义。

　　目前在多个作物中已经证实，与SNP相比，染色体结构变异(structure variations, SVs)可以造成基因顺式调控区域(CRE)更大规模的变化，进而对基因表达和性状产生更大影响。该研究对1245份陆地棉种质基因型和多环境株高表型进行GWAS分析，鉴定到A01染色体上控制株高的主效位点(PH1)，该位点染色体区域包含4个候选基因。通过不同单体型群体转录组比较和分子生物实验分析，确定一个编码赤霉素降解酶(GA20ox1A)的基因为该位点的候选基因(GhPH1)。通过将GhPH1在棉花中过表达以及敲除验证了GhPH1具有调控株高的功能。进一步分析发现，矮杆种质(ph1)在GhPH1上游的远端存在1113bp长度的染色体片段缺失(PAVPH1)，该结构变异与GWAS定位的lead SNP完全连锁，且与GhPH1的转录水平相关。

　　为进一步探究GhPH1表达量差异产生的遗传基础，作者通过酵母单杂交筛库鉴定到一个GhGARF转录因子，GhGARF突变体表现出矮化表型。蛋白-DNA互作分析表明，GhGARF可以直接结合在GhPH1的启动子E-box元件上，并抑制GhPH1的转录。作者同时还发现，GhGARF也可以直接与PAVPH1上的E-box元件结合，暗示PAVPH1可能扮演远端沉默子(distant silencer)角色。染色质构象捕获实验证实，PAVPH1可以通过染色质loop与GhPH1的启动子互作，进而调控远端GhPH1的表达来精细调节株高。

　　作者还利用免疫沉淀串联质谱分析(IP-MS)技术和一系列相关实验，发现独脚金内酯(strigolactone, SL)通路的抑制子DWARF53，可以抑制GhGARF结合下游靶基因的活性。独脚金内酯通过泛素化降解DWARF53，释放GhGARF抑制赤霉素的降解来调控株高。

　　本研究鉴定到控制陆地棉株高的主效位点及其候选基因，同时验证了非编码区域变异调控棉花株高的分子机制，为将来的棉花育种提供了新的基因资源。本研究还揭示了植物基因型变异和表型变异之间复杂的内在关系，为深入理解非编码序列调控作物重要性状的遗传基础奠定了理论依据。

　　该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国农业科学院科技创新工程等项目资助。棉花研究所在读博士生田再垄是论文的第一作者，何守朴研究员、杜雄明研究员为论文共同通讯作者。