棉花（Gossypium spp.）作为一种主要的经济作物和重要的纺织材料，在全球范围内被广泛种植。除了大家熟知的白色棉花以外，彩色棉同样具有悠久的历史，早在明清时期就作为时尚单品风靡一时，据史料记载，彩棉织就的紫花布衣曾经一度成为欧洲贵族身份的象征。与白色棉花不同，彩色棉天然具有色彩，在纤维发育过程中，色素逐渐积累，最终成熟纤维呈现为彩色。因此，彩棉免去了印染、漂白等加工过程，减少化学染料使用的同时，避免了化学物质残留对人体的潜在危害。然而，彩色棉纤维品质较差、色谱狭窄且不稳定等特点，严重制约了其产业发展。目前，深入挖掘彩棉形成的遗传机制和调控网络，利用现代生物技术，更加有效地赋能调控基因，并结合传统杂交技术，被认为是突破彩棉发展瓶颈的有效手段。
10月13日，棉花遗传改良团队在Plant Physiology 在线发表了题为“TRANSPARENT TESTA 16 collaborates with MYB-bHLH-WD40 transcriptional complex to produce brown fibre cotton”的研究论文，揭示了转录因子TT16协同MBW复合体调控棕色纤维产生的遗传机制。
该团队前期利用海岛棉Pima90-53与陆地棉HD208杂交并自交多代产生的纯合的深棕色棉突变体Ys 以及收集得到的100份棕色棉和109份白色棉花，开展连锁分析和关联分析，定位到控制棕色棉的遗传区域LC1，并将其分解为两个遗传位点qBF-A07-1和 qBF-A07-2，其中qBF-A07-1介导棕色棉颜色的产生，而qBF-A07-2影响了棕色棉的深浅。在此基础上，分别发掘了两个位点可能的候选基因Gh_TT2和Gh_WD （Plant Biotechnology Journal, 2018）。
随后，该团队对这两个基因展开了对棕色棉生成的遗传机制和调控网络的探究。首先对介导棕色棉颜色产生的Gh_TT2 进行PCR扩增，发现该基因在白色棉花HD208和棕色棉Ys 中表达量及序列均存在差异，表现为两种单倍型。Gh_TT2在纤维发育的5-15 DPA（days post anther） 特异且高量表达，且在Ys中的表达量显著高于HD208。原花青素合成路径的关键酶（proanthocyanidins biosynthesis genes，PABGs）与其呈现一致的趋势。与白色棉花单倍型（Gh_tt2HD208）相比，编码区单个SNP的突变引起了氨基酸的转变。为探究编码区变异对表型呈现的影响，作者利用纤维特异启动子pGbEXPA2驱动两种单倍型在转化受体Jin668中表达，发现两种单倍型的转化系均能产生棕色的纤维。对转化系5-15 DPA的纤维取样，并测定色素含量以及Gh_TT2和PABGs的表达量，发现在棕色棉单倍型（Gh_TT2Ys）的转化系中，色素含量以及相关基因表达量最高，Gh_tt2HD208的次之，两者均显著高于对照。上述结果表明，Gh_TT2在纤维发育时期中的高量表达与棕色纤维中原花青素的形成和沉积密切相关，而编码区的SNP变异可能会影响PABGs的表达。
图1. pGbEXPA2 驱动Gh_TT2Ys 和Gh_tt2HD208表达产生棕色纤维
由于Gh_TT2属于MYB类转录因子，常常被报道以MYB-bHLH-WD（MBW）复合体的形式发挥调控作用，因此，研究团队利用酵母双杂交筛选到一个bHLH家族的转录因子Gh_TT8，在与Gh_TT2和Gh_WD分别互作的同时，呈现同Gh_TT2一致的表达趋势。酵母三杂交实验表明，Gh_TT8可以增加Gh_TT2和Gh_WD的相互作用。另外，作者通过LUC实验验证了Gh_TT2，Gh_TT8以及两者共表达对于PABGs的调控作用。有意思的现象是，Gh_TT8与Gh_TT2在对ANS的调控上并不保持一致，Gh_TT8促进ANS的表达，而Gh_TT2抑制ANS的表达，从而阻止过多代谢物流向花青素的合成。在该团队前期的另一项工作中也提及了Re 与Gh_TT8协同促进ANS表达的现象（Plant Physiology, 2022）。除了MBW复合体对PABGs的调控之外，Gh_TT16可以结合到Gh_TT2的上游启动子区域发挥负调控作用，并直接影响到下游PABGs的表达，进而影响原花青素的形成与积累。
考虑到纤维特异启动子pGbEXPA2驱动Re（Plant Physiology, 2022） 和Gh_TT2 均能够产生棕色的纤维，研究团队对两个基因的转化系5-15 DPA纤维取样，并对转录组数据进行联合分析，揭示了两基因间复杂的博弈关系影响代谢物的流向以及细胞内花青素和原花青素的比例，进而使纤维呈现不同的颜色。综上，该研究提出了调控棕色棉产生的GhTT16 -MBW -PABGs 调控网络，为彩色棉的创制以及遗传改良提供了理论基础。
图2. GhTT16-MBW-PABGs调控棕色棉产生
华中农业大学博士生李元雪为论文第一作者，林忠旭教授和江西农业大学温天旺博士为共同通讯作者，团队带头人张献龙院士参与了该研究的指导工作，团队涂礼莉教授提供该研究所用的纤维特异启动子。该项研究得到了国家重点研发计划（No. 2022YFD1200301）以及江西省自然科学基金（No. 20212BAB215009）的资助。
论文链接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae530/7818450
