不同心皮數量棉花心皮發育特征、基因表達及相關性狀比較

摘要：【目的】探究棉花心皮發育特征，不同心皮數量的差異表達基因與植物激素含量，以及心皮數量與棉鈴發育的關系。【方法】以3心皮（C3）、4心皮（C4）、5心皮（C5）棉花材料為研究對象，觀察棉花心皮發育過程，統計不同雜交組配后代的心皮數量。花芽發育5 d、10 d和開花當天分別進行轉錄組測序及激素含量測定，并在不同發育時期測定棉鈴的表型。【結果】花蕾長度為2～3 mm時，心皮原基發育起始；花蕾長度為4～5 mm時，心皮融合形成合生心皮。心皮原基的發育早于雌蕊器官。C3、C4、C5兩兩雜交F1的平均心皮數量介于雙親之間。C3、C4和C5中差異表達基因主要富集于生物學過程。花芽發育5 d、10 d和開花當天，富集通路中心皮發育相關基因AP1、AGL6、WUS、MYB21和ARF6在C5中的表達量高于C4，且顯著高于C3。花芽發育5 d、10 d，C5的茉莉酸含量顯著高于C3、C4，吲哚乙酸含量顯著低于C3、C4；C4的脫落酸含量顯著低于C3、C5。開花后20 d、35 d和60 d，C5的棉鈴直徑、棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度以及纖維和胚珠鮮物質質量顯著高于C3、C4。【結論】3、4、5心皮棉花親本的雜交組配后代中，心皮數量介于雙親之間。多個心皮發育相關基因在C5中的表達量更高。開花前，C5中茉莉酸含量最高，吲哚乙酸含量最低。心皮數量增多利于增加棉鈴直徑、鮮物質質量，同時增加纖維和胚珠鮮物質質量。

關鍵詞：棉花；心皮數量；花芽發育；差異表達基因；激素含量；棉鈴

Carpel development characteristics and comparison of gene expression and related traits among cotton with different numbers of carpels

Wang Weiran， Yang Jing， Wang Meng， Zhou Zixin， Zhu Jiahui， Kong Jie*

（Institute of Economic Crops， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091， China）

Abstract： [Objective] This study aims to investigate the development characteristics of cotton carpel， the differentially expressed genes and plant hormone content among different carpel numbers， and the relationship between carpel number and cotton boll development. [Methods] Cotton plants with three carpels （C3）， four carpels （C4）， and five carpels （C5） were used as the research subjects. The development process of cotton carpel was observed， and the number of carpel in the offspring of different combinations was counted. Transcriptome sequencing and plant hormone content measurement of the carpels were performed at 5 days and 10 days after flower bud development， and on the day of flowering. Phenotype of cotton boll was measured at different developmental stages. [Results] When the flower bud length was 2-3 mm， the development of carpel primordia started; and when the flower bud developed to 4-5 mm， the carpel fused to form fully fused carpel. The development of carpel primordia preceded of pistil organ. The average number of carpel in F1 from different crosses between C3， C4， and C5 parents was between the two parents. The differentially expressed genes of C3， C4， and C5 are mainly enriched in biological processes. During floral bud development at 5 days and 10 days， and on the day of flowering， the expression levels of key genes related to carpel development in the enrichment pathway， including AP1， AGL6， WUS， MYB21， and ARF6， in C5 were higher than that in C4， and significantly higher than that in C3. At 5 days and 10 days of floral bud development， jasmonic acid （JA） content in C5 was significantly higher than that in C3 and C4， while indole acetic acid （IAA） content was significantly lower than that in C3 and C4; abscisic acid content in C4 was significantly lower than that in C3 and C5. At 20 days， 35 days， and 60 days after flowering， the cotton boll diameter， fresh weight of cotton boll， thickness of cotton boll petals， and fresh weight of fiber and ovule in C5 were significantly higher than that in C3 and C4. [Conclusion] The average number of carpel in the offspring from different crosses between the parents with 3， 4， and 5 carpels was between the two parents. Several carpel development-related genes showed higher expression level in C5. Before flowering， C5 has the highest content of JA and the lowest content of IAA. Increasing carpel number is conducive to increase the boll diameter， boll fresh weight， and fresh weight of fiber and ovule.

Keywords： cotton; carpel number; flower bud development; differentially expressed gene; hormone content; cotton boll

心皮作為植物孕育胚珠與雌性配子體的場所，是形成雌蕊的基本結構，也是探究植物演化關系、劃分植物類群的重要依據。植物的雌蕊位于花器官的最內層，被萼片、花瓣、雄蕊包裹，一般是由1個或多個心皮融合而成。植物在進化過程中，為了適應不同的環境，維持花器官的功能，心皮數量不斷發生變化。目前已發現的植物心皮類型有：1個心皮構成單雌蕊，例如豆科植物[1]；2個以上的心皮構成離生雌蕊，例如草莓[2]、玉蘭[3]等；2個以上的心皮構成合生雌蕊，子房直連至柱頭（世界上80%的植物為此類）[4]，如番茄[5]、黃瓜[6]等；還有1類離生心皮，子房與花柱合生，而柱頭分離[7]。心皮發育過程中，不同的融合方式直接影響后期花器官的形態。

心皮數量可以通過花柱數量或者腹縫線數量來識別，花柱或腹縫線的數量等于心皮的數量[4]。心皮及心皮邊緣組織協調生長形成子房，為胚珠的附著提供空間，心皮數量的增加能夠產生更多的胚珠，為后期獲得更多種子提供先決條件。在大多數植物中，心皮數量主要受遺傳因素調控，因此其數量較為穩定，但部分植物會出現雄蕊結構被類似雌蕊結構的器官代替而產生雄蕊心皮化現象，造成花器官結構變化以及雄性不育[8]。心皮的橫向分裂與形態建成與心皮發育早期生長素的側向分布有關[9]，生長素側向運輸形成的濃度梯度能夠調控心皮發育過程中相關基因的表達[10]。部分轉錄因子和植物激素則影響心皮融合[11]。BjCLV1在心皮外緣分生組織（carpel margin meristem， CMM）中特異性過表達能夠改變芥菜型油菜蒴果心室數和種子數量[12]。洋酸漿（Physalis floridana）中B類MADS-box基因GLOBOSA（GLO）的突變導致心皮結構及功能受損，直接影響柱頭與花柱的結構、柱頭的可接受性、花粉管的引導和胚囊的發育[13]。CsCLAVATA3通過調控相關植物激素的生物合成與代謝途徑影響黃瓜心皮數量；定點編輯CsCLAVATA3可將野生型黃瓜（3心皮）突變為5心皮黃瓜[6]，顯著提高黃瓜質量和種子數量[14]。此外，果實中不同心皮數量的占比直接影響胚珠數量與胚珠敗育率，也是改變果實大小的關鍵因素之一[15]。

目前，關于植物心皮的形成以及由心皮衍生的組織器官發育的相關研究報道較多[7-12]，但針對棉花心皮發育的研究還不夠全面。本研究以不同心皮數量的棉花材料為研究對象，觀察心皮發育特征，探究供試材料雜交組配后代心皮數量的變化，利用轉錄組數據篩選差異表達基因，比較不同材料中心皮發育相關基因的表達量，內源激素含量以及棉鈴相關性狀（直徑、長度、鮮物質質量等）在不同發育時期的變化，以期為相關研究提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市阿瓦提鄉的新疆農業科學院經濟作物研究所育種家基地（86.08°E，41.68°N）。2017―2022年夏季白天最低氣溫為16～22 ℃，最高氣溫為37～39 ℃，試驗地為壤土。

1.2 供試材料

試驗材料為海島棉（Gossypium barbadense L.）海335（3個心皮，以下簡稱為C3），陸地棉（G. hirsutum）新陸中54號（5個心皮，以下簡稱為C5），海2122（以C5為父本、C3為母本雜交，然后以C3為輪回親本回交2次，重點選擇具有C3表型特征的4心皮單株，之后經過不斷自交，于2011年育成。4個心皮，以下簡稱為C4），均由新疆農業科學院經濟作物研究所提供。

1.3 試驗設計

2019年以C3、C4和C5為父母本采用完全雙列雜交設計構建分離群體，2020年種植F1并進行自交，2021年收獲F2：3種子，2022年種植收獲的F2：3考察植株心皮數量。

2019―2022年分別于4月13日、4月15日、4月12日和4月17日播種棉花材料。采用1膜4行模式，株距為10～15 cm，行距為60 cm。每個材料種植3個小區，每個小區的面積為3.25 m2（0.65 m×5 m）。采用膜下滴灌，棉花全生育期共滴水10次，每667 m2單次灌水量為24～25 m3，隨水滴施肥料共計8次，單次施用尿素5 kg、磷酸氫二鉀3 kg、磷酸一銨3 kg，其他管理措施同當地常規棉田。

1.4 性狀指標測定方法

每個小區選取長勢一致、無病蟲害影響的3～5個單株，掛牌標記各單株第4、6和9果枝第1果節的花芽。

1.4.1 心皮的發育過程及特征。對標記的花芽定期取幼蕾，用游標卡尺測量花蕾蜜腺到頂端的長度（花蕾長度），用手術刀片將其橫切，采用Leica M125顯微鏡（德國）觀察花芽不同發育時期對應的心皮組織結構變化。

1.4.2 心皮數量。棉株開花之后，觀察標記花蕾心皮的類型，統計心皮數量。

1.4.3 轉錄組分析。花芽發育5 d、10 d和開花當天取標記花蕾。分離出胚珠、子房和心皮，將分離出的心皮于－70 ℃冰箱保存，用于后續RNA提取和植物激素含量測定。

用難提植物總RNA小提試劑盒（貨號：R4165-02，上海美吉生物醫藥科技有限公司）提取心皮RNA，送深圳華大基因研究中心進行轉錄組測序（每個樣品測3個重復，測序深度為10×）。數據測定完成將下機數據質控后設定閾值（P＜0.001，|log2 FC|＞1，FC為差異倍數，fold change）篩選差異表達基因，利用R語言包DESeq2對篩選的差異表達基因進行基因本體（gene ontology， GO）分析。比較GO富集通路中心皮發育相關基因的表達量（每千個堿基的轉錄每百萬映射讀取的片段即fragments per kilobase of transcript per million mapped reads， FPKM）差異。

1.4.4 植物激素含量測定。將樣品稱量后用液氮研磨，用含內標的抽提液（甲醇、ddH2O、乙酸的體積比為80∶19∶1）提取植物激素，再用高效液相色譜-質譜聯用法[16]測定茉莉酸（jasmonic acid， JA）、脫落酸（abscisic acid， ABA）和吲哚乙酸（indole-3-acetic acid， IAA）的含量。

1.4.5 棉鈴性狀考察。在開花后3 d、10 d、20 d、35 d和60 d的上午9：30取標記位置的棉鈴，測定棉鈴直徑（棉鈴最長直徑）、棉鈴長度（頂端至棉鈴基座的垂直距離）、棉瓣的厚度（棉瓣著生于心皮背腹兩側的距離）、棉鈴鮮物質質量、棉殼鮮物質質量及纖維和胚珠的鮮物質質量。

1.5 數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2019整理數據。采用SPSS 21進行單因素方差分析，用鄧肯氏新復極差法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 心皮發育過程

從棉鈴花芽出現到開花，可分為6個時期，分別是花芽原基伸長期、苞片分化期、花萼分化期、花瓣-雄蕊分化期、心皮分化期、花藥生殖器官（雌蕊與胚珠）形成期。其中，心皮的發育分為4個階段：花原基發育、隔膜融合、心室發育、雌蕊形成。花蕾長度為1～2 mm時（圖1A），為心皮發育初期，心皮開始出現。在花芽分化初期（花蕾長度為2～3 mm），花蕾雄蕊內圍的心皮突起，形成心皮原基，此時心皮隔膜和初生藥室已形成（圖1B）。花蕾長度為3～4 mm時，為心室形成期，雄蕊的花絲逐漸伸長，雌蕊同步發育（圖1C）。隨著心皮原基的生長，其外緣逐漸內卷（圖1D）。在心皮分化初期，心皮之間是相互分離的（圖1E），當心皮逐漸發育融合時，形成合生心皮。花蕾長度為4～5 mm時，心皮完全融合，隨后心皮腹縫線邊緣有珠狀凸起，胚珠逐漸形成（圖1 F），此時心皮進入成熟期，花蕾進入快速發育階段。

2.2 心皮發育特征

棉花心皮分化期，雄蕊和雌蕊同步發育（圖1A～B）。隨著心皮原基的發育，其在分離-融合過程中通過折疊、卷曲形成內在空間，并逐漸將胚珠包裹在內，與胚珠同步發育。棉花子房通常由3～5個心皮合成，每一心皮的兩邊緣向內延長成為棉鈴的一室，胚珠著生于心皮的腹縫線（圖2）。C5的心皮數量多于C3、C4，因此，著生于C5心皮上的胚珠數量也更多（圖2A～C）。隨著棉鈴的發育（從心皮融合到胚珠表皮的纖維逐漸伸長直至后期纖維脫水），心皮間的夾角幾乎不再變化。心皮數量越多，心皮之間的夾角越小（圖2D～F）。

2.3 不同雜交組配后代的心皮數量

采用完全雙列雜交設計，從構建的9個遺傳群體來看，F1心皮數量由父母本基因型共同決定。同一母本與不同心皮數量的父本雜交，F1的平均心皮數量會隨著父本心皮數量的增加而增加；同一父本與不同心皮數量的母本雜交，F1的平均心皮數量會隨著母本心皮數量的增加而增加。當父本心皮數量大于母本時，其后代的平均心皮數量大于母本；當父本心皮數量小于母本時，其后代的平均心皮數量大于父本。因此，不同心皮數量的雙親雜交后，F1心皮數量介于雙親之間（表1）。

（C5×C4）F1中5心皮棉鈴數量占比高于4心皮棉鈴，且未出現3心皮棉鈴；（C5×C4）F2分離出3心皮棉鈴（占群體調查總鈴數的6.36%）。隨著世代遞增（從F1、F2到F2：3），C5×C4雜交后代中，5心皮棉鈴數量占比逐漸減少，4心皮、3心皮棉鈴數量占比逐漸增加。（C3×C5）F1中4心皮棉鈴數量占比最大，隨著世代遞增（從F1、F2到F2：3），3心皮棉鈴數量占比增加，4心皮、5心皮棉鈴數量占比減少。相比于F1群體，F2與F2：3群體的平均心皮數量顯著下降，F2群體的平均心皮數量高于F2：3群體，但二者之間差異不顯著。在（C5×C4）和（C3×C5）的F1、F2及F2：3家系中，平均心皮數量均介于雙親之間（表2）。

2.4 心皮中差異表達基因的分析

2.4.1 GO富集分析。對C3、C4和C5心皮3個發育時期（花芽發育5 d、10 d和開花當天）差異表達基因的并集進行GO富集分析發現，被富集于生物學過程的路徑最多。C3中主要的生物學路徑有微管的運輸過程、糖酵解過程、甘油醚代謝過程等；細胞組分主要為微管；分子功能主要為微管結合、微管蛋白活性、脂質結合和陽離子結合等（圖3A）。C4中主要的生物學路徑包括磷酸化信號轉導系統、植物型細胞壁組織、對激素的響應等；細胞組分為膜的外在成分；分子功能主要為脂質結合、陽離子結合、磷酸化感應激酶活性等（圖3B）。C5中主要的生物學路徑包括細胞氧化還原穩態、生物合成過程、糖酵解過程等；細胞組分為細胞內膜結構的細胞器；分子功能主要為鎂離子結合、陽離子結合、萜烯合酶活性等（圖3C）。

2.4.2 富集通路中心皮發育相關基因的表達量。在GO富集通路中，發現了一些參與心皮發育的基因。根據注釋信息，CLV1參與信號轉導，AP1、AP2和AGL6參與細胞發育，WUS參與細胞壁組織的分化，JAG參與維持細胞的氧化穩態，MYB21參與次生壁合成，ARF6、ARF8和ARF16參與脂質合成及細胞發育，PIN1、PIN3參與植物激素響應。上述12個基因的表達量見圖4。

花芽發育5 d和10 d，C5中CLV1的表達量顯著高于C3（圖4A）；C5中AP1和ARF6的表達量顯著高于C3和C4（圖4B、H）；3個材料中AP2的表達量無顯著差異（圖4C）；C4和C5心皮中AGL6、WUS和MYB21的表達量顯著高于C3（圖4D～E、G）；C4心皮中PIN3的表達量顯著高于C3和C5（圖4L）。

花芽發育5 d，C5心皮中ARF8和ARF16的表達量顯著高于C3和C4（圖4I～J），3個材料中JAG和PIN1的表達量無顯著差異（圖4F、K）。

花芽發育10 d，C4和C5心皮中JAG和PIN1的表達量顯著高于C3（圖4F、K）；C4和C5心皮中ARF8的表達量顯著低于C3（圖4I）；C4心皮中ARF16的表達量顯著高于C3和C5（圖4J）。

開花當天，C5心皮中CLV1和PIN1的表達量顯著低于C3和C4（圖4 A、K）。C4和C5心皮中AP2、ARF16和PIN3的表達量顯著低于C3（圖4C、J、L）；C5心皮中WUS的表達量顯著高于C3和C4（圖4E）。C4和C5心皮中AP1、AGL6、JAG、MYB21和ARF6的表達量顯著高于C3（圖4B、D、F、G、H）。

綜上，花芽發育5 d、10 d和開花當天，C5心皮中AP1、AGL6、WUS、MYB21和ARF6的表達量更高，且與C3差異顯著。

2.5 棉花心皮內源激素含量變化

隨著棉花花芽發育進程的推進，3種心皮的JA含量均呈下降趨勢。花芽發育5 d時，C5的JA含量顯著高于C3和C4，C4的JA 含量顯著高于C3。花芽發育10 d時，C5的JA含量顯著高于C3和C4。開花當天，3個材料的JA含量無顯著差異（圖5A）。

花芽發育5 d，C5的ABA含量顯著高于C3和C4，C3的ABA含量顯著高于C4。花芽發育10 d，C3和C5的ABA含量顯著高于C4，且達到了3個測定時期的最大值。開花當天，C5的ABA含量顯著高于C3和C4。花芽發育5 d至開花當天，C4的ABA含量較低且整體表現較為穩定（圖5B）。

棉花花芽發育5 d至開花當天，C3和C4的IAA含量呈下降趨勢，C5的IAA含量呈先升后降趨勢。花芽發育5 d和10 d，C3和C4的IAA含量顯著高于C5。開花當天，3個材料的IAA含量無顯著差異（圖5C）。

2.6 棉鈴發育相關性狀

棉株開花后，隨著棉鈴發育進程推進，C3、C4、C5的棉鈴直徑、棉鈴長度均呈增加趨勢（圖6A～B），棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度、棉殼鮮物質質量以及纖維和胚珠鮮物質質量均呈先上升后下降趨勢（圖6C～F）。

開花后3 d，C3和C4的棉鈴直徑、棉鈴長度顯著大于C5（圖6A～B），C4的鈴殼鮮物質質量顯著大于C3和 C5（圖6E），C5的棉瓣厚度顯著大于C3和C4（圖6D），3種心皮類型的棉鈴鮮物質質量、纖維和胚珠鮮物質質量均無顯著差異（圖6C、F）。

開花后10 d，C4和C5的棉鈴直徑顯著大于C3（圖6A），C3和C4的棉鈴長度顯著大于C5（圖6B），C4的棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度、鈴殼鮮物質質量以及纖維和胚珠鮮物質質量均顯著大于C3和C5（圖6C～F）。

開花后20 d，C5的棉鈴直徑、棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度以及纖維和胚珠鮮物質質量顯著高于C3和C4（圖6A、C、D、F），C5的棉鈴長度顯著低于C3和C4（圖6B），C5的鈴殼鮮物質質量顯著低于C3，但顯著高于C4（圖6E）。

開花后35 d和60 d，C5的棉鈴直徑、棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度、鈴殼鮮物質質量以及纖維和胚珠鮮物質質量均顯著高于C3 和C4（圖6A、C～F），C5的棉鈴長度顯著低于C3和C4（圖6B）。

3 討論

3.1 心皮發育特征

心皮作為開花植物重要的生殖器官，在進化中經歷了離生到合生過程，并通過腹面融合形成隔膜，將心皮分成多個心室，從而為花粉傳輸提供通道[17]。心皮在花器官的最內層，與花芽同步發育，在發育早期其結構較復雜，不易被觀察到。心皮作為雌蕊發育的關鍵組織，直接影響花器官的形態建成、種子數量及果實產量[5]。如果心皮原基發育異常，無法進行正常融合，則導致花器官形態改變，甚至阻礙果實的正常成熟[18]。本研究發現，棉花心皮原基于花芽發育早期（花蕾長度為2～3 mm）出現，花蕾長度為4～5 mm時，心皮融合形成合生心皮。心皮融合之后，雄蕊快速發育，此時心皮數量趨于穩定。心皮原基出現到心皮融合是心皮形成的關鍵期。

3.2 心皮數量的變化

植物發育過程中，心皮數量受多種因素的影響。十字花科植物的心皮數量主要受遺傳因素調控，其遺傳率較高，而豆科植物則較低[19]。本研究通過觀察棉花不同雜交組合后代心皮數量發現，F1的心皮數量介于2個親本之間，多心皮數量的親本利于增加后代的心皮數量；隨著世代遞增，（C5×C4）后代中5心皮棉鈴數量占比下降，（C3×C5）后代中4心皮和5心皮棉鈴數量占比逐漸降低。這可能與心皮發育相關基因在不同后代中的表達量存在差異有關[19-20]。棉鈴的心皮數量受環境因素影響較大，因此不同部位果枝的心皮數量存在差異[21]。針對具體的研究材料，需要在特定的環境，對心皮數量進行更加細致的研究。

3.3 基因表達和植物激素含量對心皮數量的影響

心皮發育受環境和遺傳因素的共同影響[22-25]。目前已發現多個參與調控心皮數量的基因[5， 13， 26]。黃瓜中降低CLV3表達量會增加心皮數量，而過表達WUS可以產生更多心皮[27]。本研究發現，棉花心皮發育早期（花芽發育5 d），C5中CLV1、WUS的表達量顯著高于C3、C4，花芽發育10 d，C4、C5中CLV1、WUS的表達量顯著高于C3，推測CLV1和WUS基因可能影響棉花心皮數量。植物激素與相關基因的共同作用也會影響心皮數量[28]。野生番茄中JA通過MYB21調控心皮發育，MYB21功能喪失導致心皮形態發育異常[29]。生長素生物合成、極性運輸及相關基因的突變都會導致心皮數量改變[17，" 27]。本研究發現，花芽發育5 d和10 d，C5心皮中MYB21的表達量與JA含量顯著高于C3和C4；而C5心皮中IAA含量顯著低于C3與C4。李鴻萍[11]研究發現轉錄因子與植物激素影響心皮融合和心皮數量。響應生長素及調節目標基因轉錄的ARF轉錄因子能夠影響心皮極性發育[17]。本研究中，花芽發育5 d后，C5中ARF6、ARF8和ARF16的表達量顯著高于C3、C4，IAA含量顯著低于C3、C4；花芽發育5 d、10 d和開花當天，C5心皮中AP1、AGL6、WUS、MYB21和ARF6的表達量更高，且均與C3差異顯著，推測這5個基因的表達量變化可能影響棉花心皮數量。未來可通過分子生物學技術探究上述基因間的相互作用及其對棉花心皮發育和心皮數量的影響。

3.4 心皮數量對果實的影響

心皮數量的變化能夠改變果實的大小和質量。研究發現，番茄心皮相關基因通過調節花分生組織，使心皮數量增加，從而產生更大的果實[5]。心皮保護棉花胚珠的發育，是胚珠著生以及纖維發育的關鍵場所。本研究發現，棉株開花后3 d、10 d，C5的棉鈴直徑、棉鈴長度、棉鈴鮮物質質量、鈴殼鮮物質質量、纖維和胚珠鮮物質質量均低于C4；而開花后20 d、35 d和60 d，C5的棉鈴直徑、棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度以及纖維和胚珠鮮物質質量均顯著高于C3和C4。心皮數量增多能夠增加種子數量和果實質量[15]，可能是由于心皮數量增加，導致果實內部腔室增多，能夠供給種子養分的側膜胎座空間增大[14]。未來可進一步探究不同心皮數量棉花的種子數量、籽指、鈴重、籽棉產量、皮棉產量和纖維品質性狀等的差異。

4 結論

棉花心皮發育起始于花芽分化初期，且心皮原基的發育早于雌蕊器官。3、4、5心皮棉花親本的雜交組配后代中，心皮數量介于雙親之間。花芽發育5 d、10 d和開花當天，3種心皮材料的差異表達基因多被富集于生物學過程。富集路徑中參與心皮發育的基因AP1、AGL6、WUS、MYB21和ARF6在5心皮棉花材料中的表達量高于3心皮棉花（差異顯著）和4心皮棉花。花芽發育5 d和10 d，5心皮棉花的JA和IAA含量最高、IAA含量最低，4心皮棉花的ABA含量最低。開花后20 d、35 d和60 d，5心皮棉花的棉鈴直徑、棉鈴鮮物質質量、棉瓣厚度以及纖維和胚珠鮮物質質量均顯著高于3心皮棉花和4心皮棉花。

參考文獻：

[1] 王鑫， 胡光萬， 廖文波， 等. 關于豆科植物心皮縫合線朝向的思考[J/OL]. 植物科學學報， 2021， 39（2）： 208-210[2024-05-20]. https：//doi.org/10.11913/PSJ.2095-0837.2021.20208.

Wang Xin， Hu Guangwan， Liao Wenbo， et al. On the orientation of carpel sutures in Fabaceae[J/OL]. Plant Science Journal， 2021， 39（2）： 208-210[2024-05-20]. https：//doi.org/10.11913/PSJ.2095-0837.2021.20208.

[2] 李榮飛， 楊仕品， 馬紅葉， 等. 草莓花芽形態分化研究進展[J/OL]. 植物學研究， 2020， 9（2）： 101-113[2024-05-20]. https：//

doi.org/10.12677/br.2020.92013.

Li Rongfei， Yang Shipin， Ma Hongye， et al. Advances in research on flower bud morphological differentiation of strawberry[J/OL]." "Botanical Research， 2020， 9（2）： 101-113[2024-05-20]. https：//doi.org/10.12677/br.2020.92013.

[3] 唐浩君， 司馬永康. 紫玉蘭和二喬玉蘭花部形態的變異研究[J/OL]. 現代園藝， 2017（7）： 28-32[2024-05-20]. https：//doi.org/10.14051/j.cnki.xdyy.2017.13.013.

Tang Haojun， Sima Yongkang. Variation in floral morphology of Magnolia liliiflora and Magnolia soulangeana[J/OL]." Contemporary Horticulture， 2017（7）： 28-32[2024-05-20]. https：//doi.org/10.14051/j.cnki.xdyy.2017.13.013.

[4] Remizowa M V， Sokoloff D D. Patterns of carpel structure， development， and evolution in monocots[J/OL]. Plants， 2023， 12（24）： 4138[2024-05-20]. https：//doi.org/10.3390/plants12244138.

[5] Yuste-Lisbona F J， Fernández-Lozano A， Pineda B， et al. ENO regulates tomato fruit size through the floral meristem development network[J/OL]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2020， 117（14）： 8187-8195[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1073/pnas.1913688117.

[6] 秦楠楠. 黃瓜心皮數基因CsCLAVATA3的克隆及功能驗證[D/OL]. 太谷： 山西農業大學， 2020[2024-05-20]. https：//doi. org/10.27285/d.cnki.gsxnu.2020.000007.

Qin Nannan. Cloning and functional verification of cucumber carpel number gene CsCLAVATA3[D/OL]. Taigu： Shanxi Agricultural University， 2020[2024-05-20]. https：//doi.org/10.27285/d.cnki.gsxnu.2020.000007.

[7] Wang X F， Armbruster W S， Huang S Q. Extra-gynoecial pollen-tube growth in apocarpous angiosperms is phylogenetically widespread and probably adaptive[J/OL]. The New Phytolo-gist， 2012， 193（1）： 253-260[2024-05-20]. https：//doi：10.1111/j.1469-8137.2011.03912.x.

[8] 王道杰， 楊翠玲， 劉展， 等. 無花瓣油菜雄蕊心皮化突變體細胞學觀察及基因表達分析[J/OL]. 植物生理學報， 2014， 50（3）： 290-296[2024-05-20]. https：//doi.org/10.13592/j.cnki.ppj.2014.03.011.

Wang Daojie， Yang Cuiling， Liu Zhan， et al. Cytological characterization and gene expression of carpelloid stamen of apetalous flower in Brassica napus L.[J/OL]. Plant Physiology Journal， 2014， 50（3）： 290-296[2024-05-20]. https：//doi.org/10.13592/j.cnki.ppj.2014." 03.011.

[9] 劉曉柱， 李銀鳳， 趙燕， 等. 生長素對薺菜心皮發育的影響[J/OL]. 河南農業科學， 2018， 47（8）： 88-94[2024-05-20]." "https：//doi.org/10.15933/j.cnki.1004-3268.2018.08.015.

Liu Xiaozhu， Li Yinfeng， Zhao Yan， et al. Effects of auxin on the carpel development of Capsella bursa-pastoris[J/OL]. Journal of Henan Agricultural Sciences， 2018， 47（8）： 88-94[2024-05-20]. https：//doi.org/10.15933/j.cnki.1004-3268.2018.08.015.

[10] 朱占偉. 薺菜PIN基因表達與其心皮形態建成的相關性[D]. 長沙： 湖南農業大學， 2013.

Zhu Zhanwei. The PIN genes expression and its relationship to carpel morphogenesis of Capsella bursa-pastoris[D]. Changsha： Hunan Agricultural University， 2013.

[11] 李鴻萍. 玉米子房形成過程中心皮融合發育分子機制研究[D/OL]. 鄭州： 河南農業大學， 2016[2024-05-20]. https：//doi.org/10.27117/d.cnki.ghenu.2016.000087.

Li Hongping. Molecular mechanism of carpel fusion in the process of ovary formation in maize[D/OL]. Zhengzhou： Henan Agricultural University， 2016[2024-05-20]. https：//doi.org/10.27117/d.cnki.ghenu.2016.000087.

[12] Wang G， Zhang X X， Huang W， et al. Increased seed number per silique in Brassica juncea by deleting cis-regulatory region affecting BjCLV1 expression in carpel margin meristem[J/OL]. Plant Biotechnology Journal， 2021， 19（11）： 2333-2348[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1111/pbi.13664.

[13] Gong P C， Song C J， Liu H Y， et al. Physalis floridana CRABS CLAW mediates neofunctionalization of GLOBOSA genes in carpel development[J/OL]. Journal of Experimental Botany， 2021， 72（20）： 6882-6903[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1093/jxb/erab309.

[14] 高陽. 利用漸滲系解析黃瓜心皮數基因CsCLAVATA3調控果實發育的多效性[D/OL]. 太谷： 山西農業大學， 2021[2024-05-20]. https：//doi.org/10.27285/d.cnki.gsxnu.2021.000575.

Gao Yang. Analysis of the pleiotropic effect of cucumber carpel gene CsCLAVATA3 regulating fruit development by near-isogenic lines[D/OL]. Taigu： Shanxi Agricultural University， 2021[2024-05-20]. https：//doi.org/10.27285/d.cnki.gsxnu.2021.000575.

[15] 趙松子， 幸偉年. 心皮及胚珠數量對油茶果實大小的影響[J/OL]. 南方林業科學， 2023， 51（3）： 15-20[2024-05-20]." "https：//doi.org/10.16259/j.cnki.36-1342/s.2023.03.004.

Zhao Songzi， Xing Weinian. Effects of carpel and ovule number on fruit size in Camellia oleifera[J/OL]. South China Forestry Science， 2023， 51（3）： 15-20[2024-05-20]. https：//doi.org/10.16259/j.cnki.36-1342/s.2023.03.004.

[16] Liu H B， Li X H， Xiao J H， et al. A convenient method for simultaneous quantification of multiple phytohormones and metabolites： application in study of rice-bacterium interaction[J/OL]. Plant Methods， 2012 8（1）： 2[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1186/1746-4811-8-2.

[17] Becker A. A molecular update on the origin of the carpel[J/OL]. Current Opinion in Plant Biology， 2020， 53： 15-22[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1016/j.pbi.2019.08. 009.

[18] Zhao Y， Liu R， Xu Y T， et al. AGLF provides C-function in floral organ identity through transcriptional regulation of AGAMOUS in Medicago truncatula[J/OL]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2019， 116（11）： 5176-5181[20240-05-20]. https：//doi.org/10.1073/pnas.1820468116.

[19] Pfannebecker K C， Lange M， Rupp O， et al. Seed plant-specific gene lineages involved in carpel development[J/OL]. Molecular Biology and Evolution， 2017， 34（4）： 925-942[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1093/molbev/msw297.

[20] Scutt C P， Vinauger-Douard M， Fourquin C， et al. An evolutionary perspective on the regulation of carpel development[J/OL]. Journal of Experimental Botany， 2006， 57（10）： 2143-2152[2024-05-20]. https：//doi. org/10.1093/jxb/erj188.

[21] 中國農業科學院棉花研究所. 中國棉花栽培學[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 2013： 182-183.

Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences. Chinese cotton cultivation science[M]. Shanghai： Shanghai Science and Technology Press， 2013： 182-183.

[22] Laux T， Mayer K F， Berger J， et al. The WUSCHEL gene is required for shoot and floral meristem integrity in Arabidopsis[J/OL]. Development， 1996， 122（1）： 87-96[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1242/dev.122.1.87.

[23] Kayes J M， Clark S E. CLAVATA2， a regulator of meristem and organ development in Arabidopsis[J/OL]. Development， 1998， 125（19）： 3843-3851[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1242/dev.125.19.3843.

[24] Hu C， Zhu Y F， Cui Y W， et al. A group of receptor kinases are essential for CLAVATA signaling to maintain stem cell homeostasis[J/OL]. Nature Plants， 2018， 4（4）： 205-211[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1038/s41477-018-0123-z.

[25] Han H， Liu X， Zhou Y. Transcriptional circuits in control of shoot stem cell homeostasis[J/OL]. Current Opinion in Plant Biology， 2020， 53： 50-56[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1016/j.pbi.2019.10.004.

[26] Segura M， García A， Gamarra G， et al. An miR164-resistant mutation in the transcription factor gene CpCUC2B enhances carpel arrest and ectopic boundary specification in Cucurbita pepo flower development[J/OL]. Journal of Experimental Botany， 2024， 75（7）： 1948-1966[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1093/jxb/erad486.

[27] Che G， Gu R， Zhao J Y， et al. Gene regulatory network controlling carpel number variation in cucumber[J/OL]. Development， 2020， 147（7）： dev184788[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1242/dev.184788.

[28] Zeng J Y， Yan X Y， Bai W Q， et al. Carpel-specific down-regulation of GhCKXs in cotton significantly enhances seed and fiber yield[J/OL]. Journal of Experimental Botany， 2022， 73（19）： 6758-6772[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1093/jxb/erac303.

[29] Schubert R， Dobritzsch S， Gruber C， et al. Tomato MYB21 acts in ovules to mediate jasmonate-regulated fertility[J/OL]. The Plant Cell， 2019， 31（5）： 1043-1062[2024-05-20]. https：//doi.org/10.1105/tpc.18.00978.

（責任編輯：王小璐 責任校對：王國鑫）

第一作者簡介：王為然（1989―），男，博士研究生，85338994@qq.com

*通信作者：kongjie.258@163.com

基金項目：新疆維吾爾自治區青年科學基金（2020D01B35）；新疆農業科學院青年科技骨干培養（xjnkq-2023002）；國家棉花產業技術體系（CARS-15-09）；新疆維吾爾自治區棉花產業技術體系副首席科學家；新疆維吾爾自治區天山英才計劃（2023）