棉花是重要的天然纖維作物，棉纖維細(xì)胞是植物中最長的單細(xì)胞之一，為研究細(xì)胞伸長提供了理想的模型。油菜素內(nèi)酯（BR）在調(diào)節(jié)纖維伸長方面發(fā)揮重要作用，并且BR在棉花生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。超長鏈脂肪酸（VLCFA）是細(xì)胞內(nèi)含有20個碳及以上的脂肪酸，體外添加VLCFA能夠促進(jìn)纖維伸長。但BR和VLCFA在調(diào)控纖維伸長方面的關(guān)系及其作用機制尚不清楚。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所李付廣團隊前期使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術(shù)鑒定了陸地棉中BR信號通路核心轉(zhuǎn)錄因子GhBES1.4的靶基因，并通過多組學(xué)聯(lián)合分析構(gòu)建了GhBES1.4介導(dǎo)的BR調(diào)控棉纖維伸長的信號網(wǎng)絡(luò)。DAP-seq結(jié)果顯示，GhKCSs家族的一些成員是GhBES1.4的靶基因。進(jìn)一步結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，GhKCSs家族中的5個基因在GhBES1.4-OE和GhBES1.4-RNAi棉花材料中表現(xiàn)出表達(dá)量的顯著改變（Plant Physiology, kiac590, doi.org/10.1093/plphys/kiac590）。

該團隊的最新研究成果闡明了GhBES1.4通過調(diào)控GhKCS10_At的表達(dá)，參與棉纖維伸長的分子機制。該成果于2023年3月2日發(fā)表在Plant Cell（IF=12.085）上，題為“Brassinosteroids regulate cotton fiber elongation by modulating very-long-chain fatty acid biosynthesis”。該研究揭示了BR通過調(diào)控棉花纖維內(nèi)源VLCFA的合成，調(diào)節(jié)纖維伸長的分子機制，闡明了BR和VLCFA在調(diào)控纖維伸長方面的關(guān)系及其分子機理，對棉花纖維品質(zhì)的遺傳改良具有指導(dǎo)意義。

圖1. GhKCS10_At是GhBES1.4的直接靶基因

EMSA、Bio-layer interferometry、ChIP、Luc實驗結(jié)果表明GhBES1.4能夠結(jié)合到GhKCS10_At基因啟動子區(qū)域的BBRE元件上，這些結(jié)果進(jìn)一步驗證了DAP-seq的結(jié)論。

體內(nèi)外一系列生化實驗證實GhBES1.4可以結(jié)合到GhKCS10_At啟動子區(qū)域的BR響應(yīng)元件（BRREs）上，進(jìn)而調(diào)控GhKCS10_At表達(dá)，表明GhKCS10_At是GhBES1.4的靶基因。遺傳學(xué)實驗也證實了GhKCS10_At位于GhBES1.4的下游。綜上所述，該研究闡明了BR通過其核心轉(zhuǎn)錄因子GhBES1調(diào)控GhKCSs介導(dǎo)的VLCFA的合成，最終促進(jìn)纖維伸長的分子機制。研究結(jié)果為解析BR調(diào)控棉花纖維伸長機制提供了新思路。

圖2. BR通過影響VLCFA合成調(diào)控棉纖維伸長的模型

在BR存在的情況下，BR信號通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GhBES1移動到細(xì)胞核，直接與GhKCSs的BRRE結(jié)合并激活其表達(dá)。編碼VLCFAs生物合成限速酶GhKCSs的高表達(dá)，增加內(nèi)源性VLCFAs含量，進(jìn)而促進(jìn)纖維伸長。