棉花開花調控相關基因研究進展

摘要：棉花是重要的經濟作物，棉花的早熟性狀與株型、產量、品質等關系密切，是育種的重要目標之一。FT（FLOWERING LOCUS T）和CETS（CENTRORADIALIS/TERMINAL FLOWER1/SELF-PRUNING）是調控植物開花的2 類重要蛋白，進化上高度保守，皆屬于PEBP（Phosphatidylethanolamine Binding Protein）家族，FT和CETS 通過競爭性結合bZIP 轉錄因子FD 或14-4-3 蛋白決定植物開花。棉花中PEBP 家族基因在調控開花及株型發育方面同樣起重要的作用。其中，GhFT 基因可促進棉花提早開花，GhFT 和GhFD 蛋白可與不同的GhGRF 蛋白形成有功能的三元復合體來調控SAM（Shoot Apical Meristem）的發育。GhSP、GhCEN 基因抑制開花，棉花中降低GhSP、GhCEN 的表達則可促進棉花植株的有限生長，導致開花時間提前，果枝變短。表明這2 個基因在調節棉花開花和株型發育方面具有較大應用潛力。MADS-box 轉錄因子家族是調控棉花開花的另一類重要轉錄因子，成員眾多，但至今大部分仍未被分離鑒定。為了全面解析棉花開花調控的分子機制，挖掘與開花及株型發育相關的重要基因，利用基因工程技術或CRISPR/Cas9 基因編輯技術，定向修飾有利基因，創制早熟性好、株型理想的棉花育種新種質提供理論參考，文章綜述了PEBP 及MADS-box 轉錄因子在棉花開花調控方面的研究進展。

關鍵詞：棉花；開花轉變；成花素；抗成花素；MADS-box 轉錄因子

中圖分類號：S562 文獻標識碼：A 文章編號：1002?2481（2024）04?0150?09

由營養生長階段到生殖發育階段的過渡，是高等植物生命周期中的一個主要生理變化。改變開花時間可以提高植物的生態適應性，改善植株的結構，優化作物的栽培方法，因此，開花時間和植物結構性狀都是作物遺傳改良的最主要目標。花序結構和開花時間相關基因的作用，現已在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中進行了廣泛的研究探索。重要開花控制基因的研究也極大地提高了番茄（Solanum lycopersicum）和水稻（Oryza sativa）等模型作物的經濟效益[1]。棉花（Gossypium hirsutum）是天然纖維的主要來源，同時又是重要的蛋白和油料作物，深入研究棉花的開花相關基因及調節機制，對于指導棉花生產、提高棉花產量和品質具有重大意義。

本文著重闡述了成花素蛋白FT/抗成花素蛋白CETS 及MADS-box 轉錄因子對棉花開花調控的研究進展，旨在為今后改良棉花品種、優化栽培方式、改善棉花生產與質量提供理論依據。

1 成花素和抗成花素基因調控棉花開花的研究進展

根據對擬南芥和水稻等模式植物開花過程控制網絡的研究，可以將植物開花過程的環境因素總結為以下6 種路徑：光周期途徑（Photoperiod pathway）、溫度途徑（Ambient Temperature pathway）、激素途徑（Gibberellin pathway）、春化途徑（Vernalizationpathway）、年齡途徑（Age pathway）和自主途徑（Autonomous pathway）[2-6]。在眾多的開花調控途徑中，磷脂酰乙醇胺結合蛋白質（Phosphatidylethanolamine-binding protein，PEBP）家族的FT 蛋白和TFL 蛋白起著至關重要的作用[7]。FT 蛋白通過激活下游調控花分生組織的關鍵基因LEAFY（LFY）、APETALA1（AP1）、AGAMOUS-LIKE24（AGL24）、FRUITFULL（FUL）、SUPPRESSOROF OVEREXPRESSION OF CO1（SOC1）、SQUAMOSAPROMOTER BINDINGPROTEINLIKE（SPL）等的表達，促進植物開花，TFL1 蛋白通過負調控這些花分生組織的關鍵基因而抑制植物開花[7]。二者在植物的頂端分生組織中，通過與bZIP 轉錄因子FD 蛋白競爭性結合，分別產生“ 成花素激活復合物（Florigen activation complex，FAC）”和“抗成花素復合物”，協同控制植株的營養生長和生殖生長，最終確定植物的開花時間以及株型結構[7]。這一調節機理已在水稻[8]、大豆（Glycinemax）[9]、玉米（Zea mays）[10-11]、小麥（Triticum aesti?vum）[12]等多個物種中得以證實。

光周期輸入是擬南芥中FT 基因表達的主要觸發器。FT 在轉錄因子CONSTANS（CO）的誘導下促進植株向開花轉變[13]。在CO 的誘導下，FT蛋白可從葉片通過韌皮部移動至莖尖分生組織（Shoot apical meristem，SAM）[14]。在分生組織中，通過FT 和FD 結合，可以產生一種控制分生組織決定基因的復合物，進而激活分生組織決定基因AP1 和FUL 等的表達，從而對SAM 進行重編程產生生殖器官，誘發植株開花[15-16]。除了誘導FT 之外，CO 還可以直接或間接地誘導TFL1 的表達，延緩SAM 向生殖階段的轉變[17]。除光周期外，環境溫度也調整了FT 的表達。一些響應溫度的調控因子，如SHORT VEGETATIVE PHASE（SVP）[18]、PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4（PIF4）[19]、LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN1（LHP1）[20]、FLOWERING LOCUS C（FLC）[21]等可以通過結合FT 基因的啟動子或非編碼區域控制FT 的轉錄表達。研究擬南芥中PEBP 基因家族的4 個成員TWIN SISTER OF FT（TSF）、BROTHER OF FT AND TFL1（BFT）、ARABIDOPSISTHALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOG（ATC）、MOTHER OF FT AND TFL1（MFT）[22-26]發現，TSF 與FT 的同源性最高，在蛋白質序列、CO 誘導、表達模式、與FD 結合以及過表達促進開花方面，同FT 均較為相似[27]。而BFT 雖然和FT 序列同源性較高，存在著相同的時空表達模式，但其功能卻與TFL1 基因相似，抑制植物開花[28]。ATC 蛋白與FT 相似，是一種可移動的蛋白質，能夠從脈管系統遷移至莖尖上[29]，并通過與FD相互作用，使分生組織識別基因AP1 呈現下調表達，從而影響植物開花。MFT 與FT 同源性較高，主要負責植株開花誘導，可能與FT 在調節植株開花方面存在功能冗余[24]。

TFL1 參與調控植物開花生長的功能，在許多物種中都是比較保守的。番茄中的TFL1 稱為SELF-PRUNING（SP），影響著莖的生長習性。研究表明，攜帶顯性SP 等位基因會使番茄持續產生花序和果實，攜帶隱性等位基因的植株則表現為早期終止花序生長且植株矮小[30]。在玫瑰（Rosa ru?gosaThunb）和草莓（Fragaria vesca）中，TFL1 的非功能隱性同源基因（分別為RoKSN 和FvKSN）促成了二者連續開花的園藝理想型[31]。在大豆中，TFL1的同源基因Dt1 控制著莖的生長習性[32]。Dt1 顯性等位基因建立了莖生長的不確定習性，使大豆在開花后繼續生長，而隱性等位基因建立了莖生長的確定習性，使得植株在開花開始后即停止生長。豌豆（Pisum sativum）中TFL1 的同源基因PsTFL1a維持著莖的不確定性生長[33]。同源比對和進化研究結果表明，來源于金魚草的CEN 基因、番茄的SP 基因，皆與擬南芥中的TFL1 基因同源，因此，將不同物種中的CEN/TFL1/SP 同源基因統稱為CENTRORADIALIS/TERMINALFLOWER1/SELF-PRUNING-like（CETS-like）基因，是植物抗成花素的主要成分[34-35]。植物中FT 蛋白與CETS蛋白皆為PEBP 蛋白家族成員。雖然人們對FT 和CETS 在植株適應性和作物改良及其植株種群方面開展了更深入的研究，但是控制FT 和CETS 在植株開花方面起著相反作用的分子機理卻依然未知。

在陸地棉AD1、海島棉（G. barbadense） AD2、亞洲棉（G. arboreum）A2、雷蒙德氏棉（G. raimon?dii）D5 中，分別鑒定到20、21、10、10 個PEBP 家族基因。其中，陸地棉的20 個確定的PEBP 家族基因不均勻地分布在12 條染色體上，這些PEBP 家族基因被分為4 組（TFL1、MFT、FT 和FT-like）。其中，FT-like 是棉花所特有的[36]。陸地棉中的FT 基因在A、D 亞基因組各含有1 個拷貝，其A、D 亞組啟動子序列存在明顯差異，導致D 亞基因組GhFT-D中的轉錄水平高于A 亞組，但A、D 亞組中的FT 基因均在SAM 與葉片維管束中特異高表達[37]。

棉花PEBP 家族基因在不同的棉花基因型、光周期反應以及種植品種成熟度等方面都顯示出不同的表達模式。短日照條件下，半野生陸地棉中GhFT 基因的表達得到強烈誘導，而GhPEBP2 基因的表達在長日照條件下被誘導[38]。分析不同基因的組織表達水平顯示，GhTFLb 基因和GhTFLd基因在SAM 中相對表達量較高，GhPEBP2 則在葉片和SAM 中皆有較高的表達水平，表明其與棉花成花誘導有關[37]。GhFT、GhTFL1a、GhTFLc、GhTFL1d、GhMFT1、GhMFT2 和GhPEBP2 等基因的轉錄水平隨棉花幼苗的生長發育逐漸升高，在棉花生長至第3 片或第4 片真葉時，其表達量達到最高水平。同擬南芥中的研究類似，GhFT 可與FD 類bZIP 轉錄因子GhFD 相互作用，在長日照和短日照條件下都能促進開花[38]。ZHANG 等[38]比較了陸地棉半野生品種（光周期敏感型）與栽培品種（光周期不敏感型）中不同開花相關基因的表達量發現，栽培品種中GhTFL1a、GhMFT1 和GhPEBP2基因的表達仍受到長、短日照的差異調控，而GhFT 和GhSOC1 基因的表達則在長日照或短日照下無明顯差異。

GhFT1 基因在早期纖維生長發育階段轉錄水平較高，且主要在雄蕊和萼片中表達，其蛋白定位在細胞質和細胞核中，同時，該基因在長、短日照條件下都受到生物鐘的影響。在轉基因擬南芥中，GhFT1 的異位表達促進了開花時間提前，同時該基因的表達可恢復擬南芥ft-10 突變體的晚花表型。過表達GhFT1 可以導致AtFT 下游的幾個開花相關基因高度上調。在煙草中表達GhFT1 基因，不僅可以使開花提前，還能促使基部的側枝生長發育，從而誘導蓮座葉腋下形成更多的腋芽，從而改變葉片形狀，提高葉綠素含量，促進植株的光合作用[39]。綜上所述，棉花GhFT1是FT 的一個同源基因，和其他植物中的開花素基因功能相同，有利于植株開花，可成為選擇棉花早熟品種的主要候選基因之一[40]。MCGARRY 等[41-43]研究表明，陸地棉中擬南芥開花相關基因FT 和TFL1 的同源基因GhSFT（Single Flower Truss）和GhSP（Self-Pruning）影響開花時間、分枝方式、葉型和莖的生長，可以參與調節棉花復雜的分枝模式，并調整植株單軸和合軸生長的平衡。在陸地棉中過量表達擬南芥FT 基因，轉基因棉花的開花時間不再受光周期調節，開花時間明顯提前，棉花株型呈緊湊表型，果枝變短，或棉鈴直接生在主莖上[43]。棉花中降低GhSP 基因的表達，植株呈現與擬南芥FT 基因過表達相同的表型，棉花開花時間提前，果枝變短，株型緊湊。在棉花中過表達花的零式果枝的Nulliplex-branch（NB）基因GhNB，阻止了棉花花芽的分化，抑制GhNB 基因的表達，則導致主枝和側向枝條的頂端形成一個末端花。暗示GhNB 基因在控制棉花花芽分化和株型發育方面起重要的調控作用[44]。LIU 等[45]研究發現，棉花簇生鈴基因GhCEN 是金魚草CEN 的同源基因。原位雜交試驗結果表明，GhCEN 在棉花腋芽以及主莖的頂端分生組織中表達量相對較高，過量表達該基因抑制了棉花從營養生長向生殖生長的過渡。RNA 干擾（RNA interference，RNAi）沉默棉花GhCEN 基因則可促進棉花植株的有限生長，導致開花時間提前，果枝變短，部分棉鈴直接著生在主莖上[45]，表明GhCEN 基因在調節棉花開花和株型發育方面都有著很大的應用潛力。

SI 等[46]克隆了GbAF（海島棉零式果枝基因）和GhCB（陸地棉叢生鈴基因），認為同一個基因座不同的SNP 位點突變也可以引起各種表型。這個基因座與番茄的SP 基因是同源的，沉默GoSP 會使海島棉和陸地棉轉變為有限生長。突變海島棉中GbSP 蛋白單個氨基酸引起腋生開花表型，形成零式果枝，而GhSP 蛋白單個氨基酸突變在陸地棉中產生叢生鈴的表型。上述研究都證實，對棉花開花調控的基因SP 同樣可以作為株型改良的一個候選基因，從而促進棉花緊湊株型育種的研究進程。

ZHANG 等[47] 利用陸地棉X1570（短枝）與Ekangmian-13（長枝）雜交F2 群體鑒定到與果枝調控基因共分離的SNP 位點，最終定位到花期性狀調控基因ATC（Arabidopsis Thaliana Centroradia?lis），參與植株的果枝發育調控。GhHB12 基因是棉花HD-ZIP I 類轉錄因子，在腋芽中特異表達。在GhmiR157-SPL 調控網絡的作用下，抑制了GhFT、GhFUL 和GhSOC1 等植物開花過程重要基因的表達，從而導致了開花時間延遲和長日照條件下密集株型。該研究鑒定了棉花株型結構及狀態轉變的調控模型，為培育早熟棉花品種提供了潛在的育種價值[48]。

成花素激活復合物（FAC）一般包括FT 蛋白、14-3-3 蛋白和FD 蛋白3 個組分，在植物生長發育的各個階段皆起重要的調節作用[49]。在FAC 復合體中任何一個蛋白的缺失或突變，皆會影響植物正常的生長發育。在植物中，14-3-3 蛋白也稱為GENERAL REGULATORY FACTORs（GRFs），由一個大型多基因家族編碼，參與蛋白質間的相互作用，并在各種生理過程中發揮關鍵作用[50]。陸地棉中共有17 個GRF 基因，在棉花中利用病毒誘導的基因沉默（Virus Induced Gene Silencing，VIGS）和在擬南芥中的轉基因研究表明，GhGRF3/GhGRF6/GhGRF9/GhGRF15 對棉花開花起負調控作用，而GhGRF14 基因則可促進棉花提早開花[50]。棉花中的GhFT 和GhFD 蛋白可與不同的GhGRF 蛋白形成有功能的三元復合體來調控SAM 的生長發育。陸地棉中包含5 個GhFD 基因，它們在不同組織中的表達量各不相同，通過VIGS沉默GhFD1、GhFD2 或GhFD4 基因，延遲了棉花開花并抑制了花分生組織特征基因的表達。沉默GhFD3、GhFD5 則減少了側根的形成，表明其調控了側根的發育。這5 個GhFD 蛋白，均能與14-3-3蛋白及GhFT 蛋白在細胞核中相互作用，表明它們共同構成了一個三元復合體行使功能[51]。

光周期是調節植物開花時間的一個重要外部影響因素，而CO 調節因子在控制光周期敏感植物開花時間方面起著核心作用。對于開花時間，野生棉具有嚴格的光周期敏感性，而馴化的棉花則對光周期的適應性表現出逐漸增強的趨勢。CAI 等[52]從陸地棉基因組中發現了42 個CO 同源基因（GhCOLs），其中14 個GhCOL 基因和開花相關，它們的表達呈現了明顯的晝夜節律，具體表現為大多數基因在黎明時達到峰值，黃昏時迅速下降到最小值。GhCOL1-A 和GhCOL1-D 是Heading date1（Hd1）的同源基因[52]。在擬南芥co-2 突變體中表達的GhCOL1-A 或GhCOL1-D 基因，均可挽救突變體晚花表型，并證明了GhCOL1-A 和GhCOL1-D之間存在著潛在的開花誘導作用，可作為研究棉花開花調節的關鍵候選基因。GhLUX1 和GhELF3為棉花中的2 個生物鐘夜間組分基因，在不同光照條件下都呈現出節律性的表達模式，擬南芥中過量表達GhLUX1 或GhELF3 基因，可通過改變光周期開花途徑中關鍵基因的表達而推遲開花，在棉花中沉默GhLUX1 或GhELF3，GhFT 基因的表達量明顯提高，棉花開花時間提前。雖然棉花中這2 個生物鐘基因的節律性表達并沒有完全重合，但它們通過錯峰或同步表達負調控GhFT 基因，進而精準調控棉花開花時間[53]。生物鐘基因參與調控棉花開花時間，可成為栽培早熟棉花品種的重要候選目標。

2 MADS-box 家族基因調控棉花及開花時間的研究進展

MADS-box 基因家族在植物生殖發育中扮演著關鍵角色，是控制植株花發育的另一個關鍵基因家族，尤其是在從植物營養生長向生殖生長發育的轉化過程和花器官的同一性建立方面起到了至關重要的作用[54-55]。MADS-box 中的MIKC 型基因編碼花發育（從最初開花直到胚珠和果實發育）各個階段中起作用的轉錄因子，尤其是被子植物花器官的身份。它建立了被子植物花的基本框架，保障了ABCDE 模型的保守性。目前，該模型已經在原有的ABC 模型上得到了進一步的完善和擴展。傳統的ABC 模型認為，A 類、B 類和C 類同源異型基因的特定組合，調節了不同的花器官身份：單獨表達A 類基因和C 類基因分別形成萼片和心皮，A 類和B 類基因共同表達形成花瓣；B 類和C 類基因則共同決定雄蕊[56]。3 類基因分別代表了3 個特定的功能區，A 控制著第1、2 輪的花器官發育，B 控制著第2、3 輪花器官的形成，第3、4 輪的花器官形成由C 控制，同時A、C 拮抗，互不重疊。加上后來在矮牽牛（Petunia hybrida）中發現的D 類基因FBP7（FLORAL BINDINGPROTEIN7）和FBP11，被認為是控制胚珠發育的主要基因（擬南芥中相對應的基因為AGL11（AGAMOUS-LIKE 11）），和一類功能冗余的E 類基因，花發育模型由原來簡單的“ABC 模型”延伸為較為完善的“ABCDE 模型”[56]，同時也表明花器官發生的調控在進化上是保守的。研究較為透徹的擬南芥中，對花功能基因進行了比較好的歸類：A 類基因主要由AP1 和APETALA2（AP2）組成，APETALA3（AP3）、PISTILLATA（PI）則歸于B 類基因，而AGAMOUS（AG）被認為是C 類基因，D 類基因有AGL11，SEPALLATA1（SEP1）、SEPALLATA2（SEP2）、SEPALLATA3（SEP3）、SEPALLATA4（SEP4）共同組成E 類基因。除了AP2 外，其他花器官調節基因均為MADSbox家族基因。

此外，在花的過渡整合器中，其他的MADSbox家族成員如SOC1、FUL、SVP 等，在擬南芥和其他物種中也發揮了重要作用。SOC1 屬于F 類基因組，是花發育ABC 和ABCDE 模型的延伸。不同種類植株中，這些MADS-Box 基因的功能在調控花的生長發育方面具有很大的保守性，但同時也存在著一定的特異性。據報道，草莓和蘭花科（Cymbidium）中類似SOC1 的基因是開花促進因子，在花調控中進化保守[57-58]。水稻中，編碼MADS 結構域轉錄因子的SVP 基因在營養發育過程中的葉片和莖尖上廣泛表達，SVP 通過抑制赤霉素（Gibberellins，GA）生物合成和整合基因FT 在莖尖芽中的表達，從而延緩植株開花[59-60]。MtSVP1在苜蓿（Medicago sativa）中的過表達影響了花的生長發育，但并未改變開花時間，說明苜蓿中該基因并不參與對開花時間的控制[61]。在花的轉化過程中，FUL-SVP 和FUL-SOC1 異源二聚體的依次形成可能介導植物花序和花分生組織的轉換，從而抵消了FLC 和SVP 之間的抑制作用。

研究擬南芥和金魚草等模式植物同源異型突變的遺傳機理發現，AP1/SQUA、AP3/DEF 和AP2/OVU 等若干對同源異型基因均具有較為保守的MADS 結構域。它們通過全基因組復制在開花植物中擴展，參與了植物的多項生命進程[62-63]。FLC、SVP 和AG 等基因通過抑制成花途徑整合因子FT、SOC1 和LFY 等基因的表達，從而引起植株延遲開花。SOC1、AP1、CAULIFLOWR（CAL）和AGL24 等基因促進植物開花，植物中過表達這些基因可以促使植株開花提前，同時這些基因的缺失或突變也會引起晚花。作為花序分生組織轉型的重要因子，LFY 基因對AP1、AP3、AG 和PI 的表達發揮著促進的作用[64-65]。

二倍體亞洲棉、雷蒙德氏棉和四倍體陸地棉基因組分別有147、133、207 個MADS-box 基因，分別分布在MIKC、Mα、Mβ、Mγ 和Mδ 亞族。染色體定位和系統發育分析表明，亞洲棉和雷蒙德氏棉都揭示了MIKC 亞族的保守進化，以及Mα、Mγ 和Mδ 亞族的獨特復制事件模式[66]。REN 等[67]對四倍體的陸地棉的MIKC 型MADS 基因進行了比較全面的研究，目前總共確定了110 個GhMIKC 基因，并在系統發育上劃分為13 個亞家族，其中108 個分布在13 條A 和12 條D 基因組的染色體上，其余2 個位于支架上。亞家族中的GhMIKCs 表現出了類似的外顯子/內含子特征和保守的圖案組成。棉花起源于熱帶、亞熱帶地區，其開花不需要經過春化階段，因而棉屬不同種的基因組中皆無FLC 亞族。通過RNA 測序，大多數MIKC 基因表現出與開花相關的高表達譜。擬南芥中過量表達的GhAGL17.9 基因，可導致早花表型。同時，與開花有關的基因CO、LFY 和SOC1 的表達水平在轉基因擬南芥中明顯增加，這些結果為進一步研究GhMIKCs 對棉花開花的調控奠定了基礎[67]。

GhLFY 通常在芽頂高度表達，在花芽分化的第3 片真葉展開階段有大量上調。GhLFY 蛋白定位在細胞核中。GhLFY 基因在擬南芥中的異位表達，可引起植株早期開花。lfy-5 突變體中的GhLFY 基因，可恢復突變體的晚花表型。染色質免疫沉淀試驗結果表明，陸地棉中GhLFY 可能處于GhSOC1 的下游，并受GhSOC1 的調控。擬南芥中，GhSOC1 也可和LFY 基因啟動子結合。上述結果顯示，GhLFY 是擬南芥FLO/LFY 的同源基因，可以參與控制開花時間和花的發育[68]。

GhAP1.7 位于植物細胞核中，過量表達該基因可使擬南芥花期提前，通過VIGS 試驗降低GhAP1.7 基因的表達可以導致棉株延遲開花，表明GhAP1.7 在植物開花過程中起正向調控作用[69]。GhAP1.7 影響植物的開花時間，但在棉花中過量表達該基因或者降低該基因的表達，棉花植株結構或花器官的形態結構均未發生改變。而擬南芥中異源表達棉花GhMADS42 基因，不但可以使擬南芥開花時間提前，與GhSOC1 功能相似，超表達Gh?MADS42 基因，還可導致花器官結構和主莖分枝結構的異常[70]，說明GhMADS42 和GhSOC1 不僅可以調控植物開花時間，同時對植物花序結構的形成有一定的影響。GhSOC1 通過結合GhMADS42 基因的啟動子來調控其表達。酵母雙雜交試驗結果表明，GhMADS40 蛋白可以與GhSOC1 蛋白相互作用，而GhSOC1 又可與GhAP1 及其不同的同源蛋白互作，形成不同的復合體，調控棉花開花[70]。

GhMADS1 基因在花瓣中的表達量最高，經推測認為是棉花花器官發育過程中一個關鍵基因[71]。GhMADS12 基因屬于PI 亞家族，在花器官發育ABCDE 模型中的PI 亞家族基因為B 功能基因，基因GhMADS12 在營養器官中無表達，生殖器官中有豐富的表達，特別是在花瓣和雄蕊中，表明棉花中的GhMADS12 基因在花瓣和雄蕊的發育過程中起調控作用。GhMADS13 基因與AGL6 同源，在花器官發育過程中行使C 類基因功能，在營養器官中無表達或表達量較低，但在生殖器官中表達豐富，尤其是在雄蕊和心皮中具有較高的表達水平。煙草植株中GhMADS13 基因在雄蕊和心皮中的轉移，證實了GhMADS13 基因在雄蕊和心皮發育中的重要作用[72]。

陸地棉中MADS 家族成員共有207 個，其中MIKC 蛋白多達108 個。作為調控植物開花的關鍵因子，目前MADS 家族中大量參與棉花開花調控及花器官發育的成員尚未被鑒定。棉花MADS 蛋白數目眾多，蛋白之間互作繁雜，導致棉花開花時間調控網絡錯綜復雜。因此，通過全基因組分析，挖掘更多的MADS 基因并對其功能及調控機制進行深入分析，對進一步解析棉花開花調控的分子機理具有十分重要的意義。

3 棉花中其他開花相關基因

LI 等[73] 確定了若干與開花密切相關的重要等位基因，如GhSPY、GhZTL、GhELF6、GhSVP、GhELF4、GhGA2OX6、GhPHYA，但他們在棉花開花調控方面的功能還沒有得到進一步研究。GhCAL 蛋白能夠和GhAP1 或GhAGL6 形成異源二聚體，促使棉花提早開花[74]。SBP-box 結合域蛋白SPL 是一類植物特有的轉錄因子，已有研究主要聚焦于miRNA 對該類蛋白的表達調控上，認為該轉錄因子可直接或間接通過參與赤霉素途徑、光周期途徑等來調控植物的開花時間。有研究者在陸地棉中鑒定出24 個GhSPLs 基因，發現其中18 個可能受到GhmiR156 的調控[75]。35S： GhSPL3 和35S：GhSPL18 轉基因擬南芥均為早花表型[75]。組蛋白去乙酰化酶（HDACs）在不同細胞流程中催化組蛋白去乙酰化并抑制基因轉錄。在HDACs 超家族中，研究最為廣泛的是RPD3/HDA1 型HDACs。陸地棉中共有18 個RPD3 基因，大多數GhRPD3基因在花器官中具有相對較高的表達水平，在花芽分化過程中，GhRPD3 類基因在早熟棉中的表達量明顯高于晚熟棉中的表達[76]。GhAAI66 在花組織中優先表達，GhAAI66 在擬南芥中的異位表達和在棉花中的沉默顯示，GhAAI66 觸發了一個誘導早花的相位轉換。GhAAI66 整合了多種花信號通路，包括赤霉素途徑、茉莉酸（Jasmonic acid，JA）途徑等，以觸發擬南芥的早期開花[77]。

4 結語

棉花的早熟性狀與其他性狀如株型、產量、品質等存在密切聯系，利用傳統的育種方法很難在短期內同步聚合優良性狀。隨著生物技術的發展，分子標記輔助育種成為突破傳統育種瓶頸的有效方法，而發掘與棉花開花或早熟性狀相關的調控基因，掌握基因調控機制，對改良棉花早花、早熟以及株型性狀，指導棉花分子育種具有重要意義。目前，對棉花開花調控機制的了解相對薄弱，許多與棉花早熟相關的QTLs 位點也未得到充分的開發利用。隨著陸地棉、海島棉等不同種棉花全基因組測序工作及遺傳分析的不斷發展和完善，越來越多的調控棉花花發育的關鍵因子將會被挖掘，對棉花開花調控機制的認識將不斷豐富，這將為早熟棉分子育種提供重要的理論基礎。

我國是棉花第二大生產國、第一大消費國和進口國。目前，我國棉花生產主要集中在新疆地區。當地植棉水平直接關系到我國棉花的生產安全和有效供給。新疆棉區以機采棉種質為主，培育早熟且適宜機械化采收的棉花品種不僅可以提高棉花的霜前花率，改善棉花品質，而且可以節約種植成本，增加植棉經濟效益。同時，在黃河和長江流域培育早熟棉是緩解當前糧棉爭地、陸續有效恢復植棉面積，提高棉農植棉經濟效益的有效途徑。研究棉花成花素和抗成花素基因家族、MADS 基因家族，以及其他與棉花開花相關基因的功能和分子機理，借助基因工程技術或CRISPR/Cas9 基因組編輯技術，對具有利用潛力的基因進行定向修飾，創制早熟性好、株型理想的棉花育種新種質，可為培育早熟且適宜機械化采收的棉花新品種提供豐富的育種材料。

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基金項目：山西省基礎研究計劃項目（20210302123409）；山西農業大學博士人才引進科研啟動項目（2022BQ08）；山西省博士畢業生、博士后研究人員來晉工作獎勵資金科研項目（SXBYKY2023024）