虚拟专辑丨棉花遗传改良与可持续生产：从基因到田间
棉花（Gossypium hirsutum）作为锦葵科棉属的重要经济作物，不仅是全球纺织工业天然纤维的主要来源，也是重要的蛋白和油料作物，在农业经济和工业生产中占据不可替代的地位。深入研究棉花的遗传特性、生长发育机制及其与环境互作关系，对于优化棉花生产、提升产量与品质、保障全球纺织原料供应具有重要意义。
本期专题聚焦棉花研究的前沿进展，旨在通过多学科交叉探索，推动棉花科学创新，为可持续农业发展提供理论支撑与技术保障。扫描论文题目下方的二维码可畅读全文。
摘要：棉花是重要的经济作物，棉花的早熟性状与株型、产量、品质等关系密切，是育种的重要目标之一。FT （FLOWERING LOCUS T）和CETS（CENTRORADIALIS/TERMINAL FLOWER1/SELF-PRUNING）是调控植物开花的2类重要蛋白，进化上高度保守，皆属于PEBP（Phosphatidylethanolamine Binding Protein）家族，FT和CETS通过竞争性结合bZIP转录因子FD或14-4-3蛋白决定植物开花。棉花中PEBP家族基因在调控开花及株型发育方面同样起重要的作用。其中，GhFT基因可促进棉花提早开花，GhFT和GhFD蛋白可与不同的GhGRF蛋白形成有功能的三元复合体来调控SAM（Shoot Apical Meristem）的发育。GhSP、GhCEN基因抑制开花，棉花中降低GhSP、GhCEN的表达则可促进棉花植株的有限生长，导致开花时间提前，果枝变短。表明这2个基因在调节棉花开花和株型发育方面具有较大应用潜力。MADS-box转录因子家族是调控棉花开花的另一类重要转录因子，成员众多，但至今大部分仍未被分离鉴定。为了全面解析棉花开花调控的分子机制，挖掘与开花及株型发育相关的重要基因，利用基因工程技术或CRISPR/Cas9 基因编辑技术，定向修饰有利基因，创制早熟性好、株型理想的棉花育种新种质提供理论参考，文章综述了PEBP及MADS-box转录因子在棉花开花调控方面的研究进展。
摘要:利用棉花盆栽试验，设置5个处理（P1（4.5 g微粒聚谷氨酸（γ-PGA）配施1 g化肥）、P2（3 g微粒γ-PGA配施1 g化肥）、P3（1.5 g微粒γ-PGA配施1 g化肥）、N（1 g化肥）和CK（不施肥）），通过分析棉花的农艺性状，并结合高通量测序技术，探究施用微粒γ-PGA配施化肥对棉花植株生长和土壤微生物群落结构的影响，以确定合理的配施剂量。结果表明，微粒γ-PGA配施化肥的棉花农艺性状优于单施化肥和不施肥，1.5 g微粒γ-PGA配施化肥效果最佳。在棉花生育期微粒γ-PGA配施化肥的土壤中全钾、铵态氮和有效磷的含量高于单施化肥和不施肥，在采后土壤中全钾、铵态氮、有效磷和有效钾含量保持较高水平。高通量测序结果表明，微粒γ-PGA配施化肥会引起微生物的丰富度和多样性的降低，但可以改善微生物群落结构，在采摘之后，土壤中的变形菌门、子囊菌门和被孢霉门的相对丰度都呈降低态势，而放线菌门、酸杆菌门和担子菌门的相对丰度则呈上升态势，与单施化肥和不施肥相比，大部分菌门依旧保持高的相对丰度。冗余（RDA）分析可知，土壤微生物优势菌门受包括全磷、全钾、有效磷、有效钾、酸碱度、有机质含量等多个关键因子的影响，随着时间的变化，微生物优势菌门受这些关键因子的影响也可能会有差异。微粒γ-PGA配施化肥可促进棉花的生长发育，虽会降低细菌和真菌群落的整体丰富度与多样性，但使微生物群落种类相对集中在部分有益菌群上，且在棉花采摘后依旧能维持较高的相对丰度，可改善土壤质量，维持较高的土壤生物活性，有利于农业生产。
摘要:LIM结构域蛋白是重要的发育调控因子，常作为肌动蛋白结合蛋白（F-Actin）参与调控细胞骨架建成。为了进一步研究GhWLIM5在棉纤维中的生物学功能，通过研究棉花的遗传转化并获得相应的转基因植株，同时对多株转基因植株进行表型分析，并通过分子试验对棉花LIM蛋白GhWLIM5在棉花纤维发育中的功能进行相关研究。结果表明，与野生型相比，抑制GhWLIM5表达的GhWLIM5 RNAi转基因棉花纤维中肌动蛋白细胞骨架较为稀疏，细胞生长速度降低，成熟纤维较短，纤维强度较弱。通过低速共沉淀检测发现，GhWLIM5促进F-Actin成束的能力与pH环境密切相关，随着pH值的升高，GhWLIM5促进F-Actin成束的能力逐渐下降。高速共沉淀结果显示，加入同等浓度F-Actin的情况下，经高速离心，GhXLIM6存在于沉淀中的比例明显高于GhWLIM5，说明GhWLIM5结合F-Actin的能力弱于GhXLIM6。纤维品质分析表明，抑制GhWLIM5的表达还会影响棉纤维次生壁的发育；但实时荧光定量结果显示，与野生型相比，转基因棉花纤维中这些纤维素合酶基因GhCESA4/7/8的表达并未发生明显变化，说明GhWLIM5可能不直接影响棉纤维次生壁发育。研究结果揭示，GhWLIM5通过结合并维持动态的F-Actin细胞骨架在棉纤维伸长生长中起重要作用。
摘要：棉花是世界上重要的经济作物之一，然而棉花的产量和品质经常受到盐害胁迫的影响，利用基因工程技术研发耐盐棉花品种，是解决这个问题的有效方法。ST6-40基因是通过一种功能基因挖掘方法从小盐芥中分离得到，该方法基于构建大量独立株系组成的转基因种子文库，通过高通量遗传筛选法筛选耐盐株系，得到的基因与耐盐功能直接相关。将携带有ST6-40基因的pCB2004-ST6-40重组载体通过农杆菌介导法转入陆地棉品种R15，获得转基因棉花再生株系；采用棉花生理指标测定法和直接耐盐鉴定方法对获得的转基因棉花株系进行耐盐性鉴定，转基因棉花株系T1和T2通过测定叶片游离脯氨酸含量进行鉴定，转基因棉花株系T3采用盐水浇灌直接鉴定，依据盐害级数计算盐害指数进行耐盐性判定。结果表明，共进行了350个转化事件，转化率为19%，获得65个阳性T0株系，其中再生植株中90%为阳性苗；经T1、T2、T3连续3代基因组水平PCR检测及RNA水平上表达量鉴定，表明目的基因能够稳定遗传。转基因阳性植株经T1、T2、T3耐盐性检测，获得6个耐盐性较受体对照R15显著增强的转基因纯合株系，4个转基因株系耐盐性优于耐盐对照品种中99807，表明转入ST6-40基因能有效提高棉花品种的耐盐性。
摘要：为揭示氮素不同供应量下棉花生长后期的营养生长和生殖生长的变化规律,以棉花品种冀丰1982为供试材料,设置5个氮肥用量处理（分别为0（N1）、90（N2）、180（N3）、270（N4）、360 kg/hm2（N5））,研究不同施氮量对棉花花铃期生长特性、产量及经济效益的影响。结果表明,在花铃期,施氮肥的株高显著高于不施氮肥;叶绿素CCI值随施氮量增加呈增加趋势;而果枝数、单株有效铃数、叶绿素荧光参数Fv/Fm和Fv/Fo值随氮肥用量增加均呈先升高后下降趋势,N3处理的果枝数、有效铃数、Fv/Fm和Fv/Fo均为最高。成熟期施氮肥处理单株平均根质量显著高于不施氮肥;棉花单株的茎秆质量和生物量随施氮量增加呈增加趋势,各处理间差异显著,但铃质量、根冠比差异不显著。有效铃数、收获指数、籽棉产量、皮棉产量、衣分、收益和效益随施氮量的增加呈先升高后下降的趋势,施氮量为180 kg/hm2时获得产量最高,为3 848.58 kg/hm2,该施氮量下有效铃数、衣分、收益和效益也相对较高;氮肥农学效率和氮肥偏生产力随着施氮量增加呈显著的下降。利用回归分析推测,当地适宜的施氮量,氮肥用量与籽棉产量、经济效益均呈二次函数关系。各处理磷钾肥投入一致,当氮肥用量为223.55 kg/hm2时,籽棉产量最高,为3 809.53 kg/hm2;当氮肥用量为196.66 kg/hm2时,经济效益最高,为19 428.3元/hm2。
摘要：试验用熊蜂对9个棉花胞质不育系材料进行授粉,以蜜蜂和壁蜂作为对照。结果表明,蜜蜂和壁蜂授粉在单株结铃数和果枝数方面较熊蜂授粉高,空果枝数三者相差不大;熊蜂授粉在单铃籽粒数、铃质量和籽指方面优于蜜蜂授粉和壁蜂授粉;熊蜂授粉的制种产量高于蜜蜂授粉和壁蜂授粉;熊蜂授粉的成本低于蜜蜂授粉,高于壁蜂授粉。因此,利用熊蜂进行棉花不育系制种是可行的。
摘要:通过2018、2019年2 a田间试验,对9个陆地棉新品种的生物学特性、品质特性与气象因子的关系进行了研究。结果表明,2018、2019年棉花生长季（4—10月）日平均气温、降雨量和日照时数与历年相比,2018年为高温干旱年型,2019年为低温多雨年型;不同气候环境对棉花生物学性状有不同程度的影响,其中,高温干旱有利于棉株结铃性增强,但籽指降低,2018年较2019年单株结铃数增加了3.1个,且单株结铃数变异系数最大（25.3%）,其次为籽指;在纤维品质方面,高温多日照提高了棉花纤维的比强度和马克隆值,马克隆值变异系数最大（6%）,但使棉纤维上半部平均长度变短。应该根据不同的气候年型,制定出相应的管理办法,从而减少棉农的经济损失。
摘要：为了有助于开展陆地棉PUP家族基因的生物学功能研究，也为后续陆地棉PUP基因在抗逆中功能的研究提供候选基因，利用生物信息学从陆地棉中鉴定PUP基因，并对PUP基因结构、保守结构域、顺式作用元件以及在胁迫条件下的表达等进行分析。结果表明，从陆地棉（TM-1）中共鉴定出31个PUP基因，依据进化分析结果，将这些基因分为3个亚支。染色体定位及基因复制事件分析结果表明，31个GhPUP家族基因分布在19条染色体上，且所有的PUP基因都由基因复制事件产生，复制类型为片段重复；基因结构的分析结果显示，陆地棉PUP基因大多数只有1个内含子，少数有2个或3个内含子，也有少数基因没有内含子；保守结构域分析表明，不同亚支上的PUP蛋白既有共同性也有特异性。顺式作用元件分析结果显示，GhPUPs基因启动子区域共有18个元件，这些元件分属于激素应答、胁迫/物理应答以及植物生长发育相关元件3类。同时，结合进化分析和转录组数据，筛选出了参与陆地棉胁迫应答的PUP基因。
摘要：为优化长江流域棉区麦/油后直播棉的化学脱叶催熟技术、促进该棉区棉花生产方式的转变，试验于2020年在江苏大丰、江西九江和安徽安庆开展，设1 500、3 000 mL/hm2 50%噻苯·乙烯利单用及分别与1 500、3 000 mL/hm2 40%乙烯利混用共6个处理，同时以清水处理作为对照，探讨50%噻苯·乙烯利与乙烯利配合使用对麦/油后直播棉脱叶率、吐絮率及产量和纤维品质的影响。结果表明，3个试验地点的棉田熟相分别为贪青晚熟、正常熟相和早衰，不同熟相类型棉田对化学脱叶催熟的响应存在较大差异。化学脱叶催熟处理提高了大丰试验点贪青晚熟棉田的脱叶率（药后14、28 d）和吐絮率（药后28 d），高剂量（3 000 mL/hm2）50%噻苯·乙烯利混用高剂量（3 000 mL/hm2）40%乙烯利的催熟效果和脱叶效果明显，但药后28 d的脱叶率和吐絮率均低于90%，不能满足机械采收的要求。药后14 d，仅高剂量50%噻苯·乙烯利混用高剂量40%乙烯利可使九江试验点正常熟相棉田的脱叶率和吐絮率显著提高到90%以上；药后28 d，单独使用低剂量（1 500 mL/hm2）50%噻苯·乙烯利的脱叶率和吐絮率也分别达到96.1%和97.9%。安庆试验点的早衰棉田自然脱叶和吐絮进程较快，所有处理均未表现出脱叶催熟作用。脱叶催熟处理降低了棉花铃质量，但铃数有增加趋势，因此，各类熟相棉田的籽棉产量和皮棉产量不受影响，除马克隆值降低外，脱叶催熟不影响棉纤维品质。综上所述，长江流域麦/油后直播棉种植模式下，考虑到脱叶催熟效果的稳定性及对产量和品质的影响，推荐使用 50%噻苯·乙烯利1 500 mL/hm2进行脱叶催熟；如棉田出现贪青晚熟状况，用3 000 mL/hm2乙烯利配施3 000 mL/hm2噻苯·乙烯利可明显提高脱叶催熟效果。
摘要：为了探讨简化栽培措施对棉籽营养品质的影响程度，以3种株型棉花品种为试验材料，在中等密度（5.2万株/hm2）条件下采用常规整枝和不整枝2种栽培方式管理，测定不同栽培措施下不同结铃部位棉籽中的粗蛋白和粗脂肪含量。结果表明，整枝措施对棉籽中粗蛋白含量和粗脂肪含量均有显著影响，整枝能提高果枝铃棉籽中的粗蛋白含量，降低果枝铃棉籽中的粗脂肪含量；整枝措施和品种类型对棉籽中粗蛋白和粗脂肪含量均没有互作效应，而品种类型和结铃部位对棉籽中粗蛋白和粗脂肪含量互作效应显著。总之，简化栽培措施主要影响棉籽的粗脂肪含量，下一步提高棉籽脂肪含量应作为棉花育种的主要目标。
原文转自“山西农业大学期刊中心”微信公众号
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