2025年2月，浙江大学关雪莹研究员团队，在国际著名期刊Advanced Science发表了题为“GhLPF1 Associated Network Is Involved with Cotton Lint Percentage Regulation Revealed by the Integrative Analysis of Spatial Transcriptome”的研究论文，该研究通过空间转录组技术联合全基因组关联分析（GWAS)，鉴定到了与棉花纤维产量相关的主效基因GhLPF1，并且进一步解析了GhLPF1相关的分子调控网络。本研究中棉花胚珠空间转录组服务由诺禾致源提供。

棉花纤维产量是棉花育种中的关键性状，棉纤维来源于胚珠表皮细胞，为纺织工业提供可持续的天然纤维来源。与纤维产量相关的性状主要由棉花胚珠外珠被（OI）区域表皮的分子调控决定。

在本研究中，研究团队构建了一个工作流程用于解析与纤维产量相关的功能调控网络。前期研究通过群体基因组重测序和全基因组关联分析（GWAS），已在A06染色体上定位到与皮棉产量（LP）相关的QTL位点。随后，利用空间转录组技术辅助确定该QTL位点的关键效应基因GhLPF1。通过转基因棉花表型验证，进一步证实了GhLPF1对LP的调控功能。整合RNA-Seq和CUT&Tag测序技术，研究发现了GhLPF1的直接下游靶基因（DDGs），揭示GhLPF1对其DDGs具有转录抑制作用。通过空间转录组和常规的转录组分析，发现GhLPF1-DDGs在棉纤维起始分化期（OI）优先表达，且其表达变异与LP呈显著负相关。本研究鉴定出一个新的R2R3型MYB编码基因GhLPF1及其调控网络，为通过分子育种提升陆地棉纤维产量提供了理论依据。

图1 研究工作流程

研究结果

1.GhLPF1是ChrA06染色体上LP数量性状基因座（QTL）相关的候选基因。

研究团队此前报道了在陆地棉栽培种中发现的一个与皮棉率（LP）相关的稳定数量性状基因座（QTL），该QTL位于A06染色体上，命名为QTL-LP-ChrA06。棉纤维从开花后0至3天（DPA）开始由胚珠表皮细胞分化形成，约20-30%的胚珠表皮细胞可分化为纤维细胞，因此每个胚珠的纤维起始数量是决定纤维产量的重要因素。传统bulk-RNA测序技术难以精准定位胚珠表皮细胞层的候选基因。为解析QTL-LP-ChrA06中的关键效应基因，本研究采用10× Genomics Visium空间转录组技术构建了1-DPA棉花胚珠空间转录组图谱。每个组织切片共获得531个空间spot点，每个点中位检出基因数为4917个，UMI数为11004个。通过UMAP降维分析，1-DPA棉花胚珠空间转录组数据被聚类为7个亚群，分别对应珠孔端外珠被（OI）、珠柄、内珠被（II）和胚囊（ES）。值得注意的是，分布于胚珠表皮的纤维细胞在空间图谱中呈现四类空间特征：珠孔端OI区域、合点端OI区域、OI合点区域及部分珠柄区域。基于此，研究成功构建并可视化1-DPA棉花胚珠纵切面的细胞类型基因表达图谱。

通过UMAP分析和空间图谱特征显示，GH_A06G0905在1-DPA胚珠表皮中特异性表达，表明其在纤维发育中的潜在作用。因此，编码MYB转录因子的GH_A06G0905被选为陆地棉LP调控的候选基因，命名为GhLPF1（LP调控因子1）。

图2 GhLPF1是与纤维产量性状相关的候选基因

2.GhLPF1调控陆地棉的纤维产量性状

为验证GhLPF1调控棉花纤维的功能，本研究通过构建转基因（35S::GhLPF1，GhLPF1-OE）和基因敲除株系（GhLPF1-CR）。选取三个GhLPF1-OE和三个GhLPF1-CR株系进行纤维性状观测。

所有转基因株系的整体植株在生长过程中未表现明显表型差异。GhLPF1-CR株系的皮棉水平降低。GhLPF1-CR株系的表型差异表明GhLPF1是皮棉率的关键调控因子，这与QTL_LP_ChrA06位点的功能相关性一致。综上，研究认为GhLPF1参与纤维发育的调控网络。

图3 GhLPF1改变了转基因棉花的LP和SI

3.miR828调控下GhLPF1的转录后水平调控

为揭示GhLPF1是否存在转录后调控，本研究进行了小RNA靶向筛选，发现GhLPF1第三个外显子存在miR858和miR828的两个反向互补结合位点。既往研究表明棉花miR828和miR858在早期胚珠中高表达，因此推测这些miRNA可能通过切割内源GhLPF1转录本来抑制其翻译，而qRT-PCR检测不受影响。通过比对陆地棉纤维和叶片的降解组数据，在miR828靶位点观察到明显的切割峰。降解RNA片段在5-20 DPA纤维伸长阶段逐渐积累，成熟期达到峰值，与GhLPF1 RNA转录本在相同发育阶段的积累呈负相关，提示miR828对GhLPF1 mRNA的切割与纤维发育相关。

通过双荧光素酶报告系统验证也证实了内源GhLPF1 mRNA在转录后水平受miR828调控。

图4 GhLPF1 mRNA在转录后水平上受miR828调控

该研究还整合RNA测序和CUT&Tag测序技术，成功解析了GhLPF1的直接调控网络，证实其作为转录抑制因子通过结合靶标基因的启动子区域，实现对下游靶基因（如GhEXP2和GhXTH4）表达的负向调控作用。这种分子机制的阐明为解析棉花纤维发育的表观遗传调控路径提供了新视角。

图5  GhLPF1是胚珠表皮层中的转录抑制因子

此外，根据空间转录组分析结果，GhLPF1-DDGs基因在胚珠发育过程中特异性地富集于外珠被和珠柄区域，其时空表达模式与GhLPF1基因表现出高度相似性。

图6 GhLPF1直接抑制GhHB6的表达