棉花色素腺體的研究進展

（河北省農林科學院棉花研究所／農業部黃淮海半干旱區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，石家莊050051）

棉花色素腺體的研究進展

錢玉源，張海娜，崔淑芳，劉祎，王廣恩，金衛平，韓軒，李俊蘭

（河北省農林科學院棉花研究所／農業部黃淮海半干旱區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，石家莊050051）

解除棉酚對于棉花綜合利用的限制，將會大大提高植棉收益，有助于促進棉花產業升級，而培育低酚棉是解決這一問題的關鍵。從棉花色素腺體的形態建成、色素腺體與棉酚的關系和色素腺體的遺傳三個方面對棉花色素腺體的研究進展進行了綜述，并闡述了已有研究成果對于今后色素腺體形成機理研究及棉花新品種培育的作用。

棉花；色素腺體；棉酚；形態建成

勞動力成本的不斷增加，嚴重影響了棉花的種植效益，加之糧棉比效益下降，從而影響了棉農的植棉積極性，致使棉花的種植面積大幅下降。提高棉花的綜合利用價值，特別是棉籽的開發利用，將會大大提高植棉收益，有助于促進棉花的產業升級。棉花色素腺體中儲存的大量棉酚及棉酚類似物，是棉株抵御病蟲危害的重要植保素。但棉酚的存在也嚴重影響了棉花的開發利用。因為棉花不僅是重要的纖維原料，同樣也是世界上第三大植物蛋白資源，每年生產的棉籽蛋白總量可以滿足5億人口的蛋白需求，但棉酚對于人和單胃動物具有毒性，過多攝入會引起消化功能紊亂，損害胃粘膜，從而嚴重限制了棉籽蛋白的開發利用［1，2］。為解決這一矛盾，科學家們對棉花的色素腺體及其內含物進行了很多的研究，以期能夠為棉花綜合開發利用提供理論基礎。

1 棉花色素腺體的形態建成

根據色素腺體的形態和棉酚含量，棉花可以分成4種色素腺體類型：有色素腺體型、無色素腺體型、子葉色素腺體延緩形成型和種仁有腺體無酚型。其中有色素腺體棉花中存在著不同的腺體形態建成方式。

1.1 有色素腺體型

棉花色素腺體是錦葵科棉屬及近緣植物特有的一種分泌結構，由1～3層分泌細胞包圍而成，為腔體結構。色素腺體腔的形成方式曾長期存在爭議。一種認為腔體是通過裂生的方式產生的，因為分泌物首先出現于分泌細胞的間隙，而間隙是由于分泌細胞的分離產生的；另一種認為腔體是由于分泌細胞的溶解產生的，因為初始形成的腔體中有類似細胞壁殘余結構［3］。

圖1 陸地棉葉片色素腺體的形態建成［4］

西北大學劉文哲團隊，通過實驗最終證實棉花色素腺體腔的形成是典型的溶生發育方式，并且證實棉花色素腺體的發育是一種植物程序性死亡的過程（Programmed cell death，PCD）。棉花色素腺體的形態建成可以劃分為4個階段：（1）原始細胞，一團細胞質濃厚的基本分生組織細胞；（2）色素腺體細胞團分化，分化為中央細胞和鞘細胞兩個區域，隨之中央細胞的細胞壁逐漸溶解，形成一個小的腔隙；（3）色素腺體腔形成，隨著色素腺體的發育，中央腔隙隨著上皮細胞的切向延展而增大，并伴隨著上皮細胞的降解；（4）成熟的色素腺體，由一層扁平的上皮細胞和層鞘細胞組成，中央圍繞大的分泌腔（圖1）［4］。

1.2 子葉色素腺體延緩形成型

有色素腺體的棉花種子中存在著肉眼可見的色素腺體，而澳洲的二倍體野生棉中存在著一類棉花，種子中沒有肉眼可見的色素腺體結構，但種子萌發以后，子葉和下胚軸中可形成含有內含物的色素腺體，成株后莖、葉、鈴等均有色素腺體，這種表型被稱之為子葉色素腺體延緩形成性狀［5］。

澳洲野生棉種色素腺體的形態建成可以分為兩個階段：（1）色素腺體原形成期。利用石蠟切片技術，連續觀察澳洲棉種子發育過程中的結構變化，發現當幼胚形態基本建成時，幼胚中會出現一些特異的細胞，與周圍細胞相比體積偏大，細胞質致密，后經連續多次分裂，形成一些稠密的細胞團，外圍環繞有2～5層花環狀排列的扁平細胞，形成的這一特殊結構稱之為色素腺體原。色素腺體原在種子發育過程中不會發生溶解產生色素腺體腔，并保持到種子成熟。（2）色素腺體腔形成期。澳洲棉種子萌發后，子葉中色素腺體原的中間細胞開始解體，形成裂隙，待細胞完全解體后就形成了正常的帶腔體的色素腺體結構。色素腺體腔形成初期，由于腔內沒有棉酚等內溶物，所以肉眼仍然看不到色素腺體結構。待棉酚等有色物質進入腔體后，肉眼即可觀察到色素腺體［6～9］（圖2）。

圖2 比克氏棉的色素腺體原和色素腺體形態結構［9］

1.3 種仁有腺體無酚型

司篤克氏棉和索馬里棉這類棉花，成熟種子中存在肉眼可見的色素腺體結構，但棉酚含量卻極低（低于0.02%），其色素腺體的形態建成處于有色素腺體棉種與具有色素腺體延緩棉種之間的過渡形態。形態建成早期形成色素腺體原，但不保持到種子成熟，就解體形成帶有腔體的色素腺體結構。這類棉花形成的色素腺體，色素腺體腔大小介于有色素腺體型和子葉色素腺體形成延緩型之間，腔壁也明顯不同其他兩種類型，不具有類似子葉色素腺體形成延緩型的厚壁也不具有類似有色素腺體型色素腺體壁的形態，而且腔體內含有一些大塊物質［9～11］（圖3）。

圖3 司篤克氏棉幼胚與成熟種子萌發過程中的色素腺體［10］

2 色素腺體與棉酚的關系

棉酚是棉屬特有的一種黃色的二聚倍半萜烯化合物，主要在根部形成，然后轉運儲存于棉花的根、莖、葉和種子等表皮組織的色素腺體中，以游離態和結合態兩種類型存在［12～15］。大量研究表明，棉花的色素腺體不僅是棉酚的貯藏場所而且與棉酚的合成有著密切關系。但不同類型的棉花之間，色素腺體和棉酚存在著不同相關性。

2.1 陸地棉（有色素腺體型）

周亞福在研究棉花色素腺體發育過程中，利用醋酸鉛沉淀法沉淀陸地棉葉色素腺體中酚類物質，發現棉花色素腺體是棉酚合成和積累的重要位點。并且發現在色素腺體發育的過程中，細胞質和自溶體中酚類物質逐漸增多，但質體或內質網等細胞器中始終無酚類物質積累，從而推測棉酚最初可能在細胞質中自由生成［16］。

項時康等對陸地棉幼苗棉酚動態分析發現，有腺體和無腺體棉花的胚根中均有棉酚的存在，而且無腺體棉花胚根中棉酚含量高于有腺體棉花。但子葉還未展開之前無腺體棉花的下胚軸和子葉中無棉酚的存在，而有腺體棉花中存在肉眼可見的腺體，并且存在棉酚［17］。

2.2 司篤克氏棉（種仁有腺體無酚型）

丁亮等對司篤克氏棉（G.stockii）色素腺體的形態建成與棉酚動態進行研究，發現棉酚含量隨種胚的生長發育而呈升高的趨勢，推測種胚棉酚含量變化可能與其色素腺體的形態建成有一定的關系。但從色素腺體密度與棉酚含量的相關性來看，司篤克氏棉種子萌發過程中的色素腺體密度與棉酚含量存在顯著的負相關［10］。

2.3 澳洲野生棉（子葉色素腺體延緩形成型）

祝水金等通過對5個澳洲野生棉種色素腺體和棉酚性狀研究后發現，澳洲野生棉種除下胚軸和花瓣的棉酚含量與色素腺體的密度和大小存在著顯著的正相關外（r＝0.9016），其余器官的棉酚含量與色素腺體的密度和大小的相關性不明顯［8］。

3 色素腺體的遺傳研究

3.1 隱性無腺體型

目前，發現控制棉花無腺體性狀的基因位點有6個，分別為gl1、gl2、gl3、gl4、gl5和gl6，而且每個基因位點存在多個復等位基因，例如gl2位點就存在Gl2／Gle2／gls2／gl2等4個復等位基因［18～23］。研究發現，這6個位點控制植株不同部位的腺體形成，且作用效果不同。其中gl2和gl3起主要作用，控制子葉、葉片、莖、葉柄、心皮壁腺體的形成。gl1相比gl2和gl3作用效果相對較弱，控制棉花的鈴殼、莖稈、下胚軸和葉柄中腺體的形成。gl4和gl5只能起到修飾作用，可以減少色素腺體的密度，但不會對腺體的密度產生實質性的影響。gl6雖然有著相似的功能，但作用效果相較gl1更弱。在這6對基因位點中，只有當gl2和gl3兩個位點隱性純合時，才表現出全株無腺體表型［24～26］。

3.2 植株有腺體、種子無腺體型

湖南省棉花研究所篩選獲得的一陸地棉突變體，性狀表現為植株有腺體而種子無腺體［27］，并命名為‘湘X9628（湘棉18）’。對‘湘X9628’進行遺傳分析后發現，這一性狀是由2對重疊的隱性基因控制，其中一對基因是gl2的等位基因，另一對基因定名為gln3，是gl3基因位點的復等位基因［28］。

為了鑒定控制腺體形成的相關基因，以‘湘棉18’為材料，通過構建腺體發育期cDNA文庫和借助基因芯片技術，發現了303個相關基因，分別參與逆境脅迫響應、活性氧響應、棉酚合成和過氧化物酶活性等代謝過程［29，30］。另有研究證實，H2O2（活性氧的一種）細胞程序性死亡（PCD）過程的重要信號分子，可能對棉花色素腺體細胞的PCD過程起重要的調節作用。采用高通量測序技術及生物信息技術，對澳洲野生棉和海島棉種子萌發后5、15和30 h的轉錄信息進行分析，發現可能有27種轉錄因子參與了色素腺體的形成，例如ERF，MYB，GRF，NAC，Trihelix，zf－HD，bHLH，co－like，WRKY，ARR－b等［31］。

3.3 顯性無腺體型

“Bahtim 110”是1個無腺體突變體，遺傳分析后發現，無腺體性狀是由1個部分顯性基因控制的，該基因是Gl2的復等位基因，并命名為Gle2［32］。

顯性無腺體棉花，與隱性無腺體棉花相比，不易受天然雜交的影響，在轉育利用過程中易去雜、易純合，可以有效縮短育種進程［33］。鑒于顯性無腺體的這些特點，科學家更側重于顯性無腺體基因Gle2的發掘研究。

為了獲得控制顯性無腺體形成的基因Gle2，科學家們利用分子標記的方法對其進行了定位，試圖通過圖位克隆的方法獲得該基因［34～39］。其中，程海亮等用‘中棉所12’和其近等基因系‘顯性無腺體中棉所12’為親本，Ma等用‘海1’和‘TM－1’為雜交親本分別構建F2群體，應用分子標記方法對Gle2基因進行了精細定位。程海亮等最終將Gle2定位在了物理距離約15 kb的2個InDel標記之間，并在該區域發現了1個不含內含子的未知基因，屬于bHLHMYC轉錄因子家族成員。該未知基因包含2個結構域：bHLH－MYC_N區和bHLH區，尤其是對MYC進行表達分析后發現，其在有腺體的棉花中表達而在無腺體的棉花中不表達，表明該基因可能是棉花腺體形成中的1個關鍵的正調控因子［40，41］。Ma等最終將該基因錨定在標記w7954和w5383之間的43 kb的區域內，并從該區域內克隆獲得了包含1個HLH區的轉錄因子GoPGF。該轉錄因子可正向調控棉花腺體形成，將其沉默可以獲得完全無腺體表型。GoPGF是首個被克隆獲得的控制植物腺體形成的基因［42］。

4 研究評述與展望

4.1 腺體形態建成的機理

陸地棉色素腺體（有色素腺體型）的形態建成研究中，證實色素腺體腔是以溶生的方式產生的，并且色素腺體腔的形成是一個細胞程序性死亡的過程。這為研究色素腺體形態建成的調控機理奠定了基礎。

相比有色素腺體型的色素腺體形成的一氣呵成，子葉色素腺體延緩形成型的色素腺體形成需要經過色素腺體原這一中間結構，待種子萌發后才解體形成有腔的色素腺體。色素腺體原的存在，分解了色素腺體的形成過程，這為研究色素腺體原到色素腺體轉變的調控機理提供了理想的材料。

4.2 色素腺體與棉酚的關系

雖然現有的研究表明腺體的形成或密度與棉酚的形成或積累有著密切的聯系，但兩者之間是一方促進另一方的關系還是相互促進的關系還有待進一步研究。

種仁有腺體無酚型，雖然其種仁中有腺體存在，但是沒有棉酚的貯存，而其葉片棉酚含量明顯高于一般含酚的陸地棉。植株能夠產生棉酚，但不儲存于種仁的色素腺體中，其中的原因有待深究。

4.3 色素腺體的遺傳研究

利用傳統的遺傳學研究方法和分子生物學技術，對色素腺體的遺傳特性進行大量的分析研究，發現了許多控制色素腺體形成的基因位點，并從顯性無腺體棉花中成功克隆獲得了1個控制腺體形成的基因GoPGF。但控制隱性無腺體類型、子葉色素腺體延緩形成型及種仁有腺體無酚型的基因仍未被克隆，控制不同腺體類型的基因是否相同、是否存在關聯還有待考證。

隨著研究技術的進步，尤其是高通量測序技術和基因編輯技術的發展，越來越多的腺體形成相關基因會被發掘鑒定出來，這將有助于闡明色素腺體的遺傳規律及腺體形成的分子機理。色素腺體遺傳規律和腺體形成機理的闡明，有利于發掘參與棉花色素腺體形成的基因，有助于通過基因工程解決傳統育種周期長、難以打破不利連鎖等不足，創制生產上所需的不同腺體類型的棉花品種。例如：利用種子特異啟動子，創制綜合性狀優良的種子無腺體植株有腺體新種質。種子特異啟動子，可以特異沉默種子發育過程中的腺體基因，而不影響其他部位腺體基因的表達，從而創制出種子無腺體，而植株體有腺體的棉花新種質。這一過程，可以在任何棉花品種中實現，可以通過轉化綜合性狀優良的主推品種，創制出綜合性狀優良的棉花新品種，并且可以避免常規雜交轉育創制無腺體種質時，因為基因連鎖的存在，而引入不利性狀基因。

基因工程技術勢必會推進低酚棉產業的發展，促進棉花產業與畜牧業、食品加工業的結合，從而提高植棉收益，帶動植棉的積極性，有利于我國棉花產業的可持續發展。

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Research Progress of Cotton Pigment G land

QIAN Yuyuan，ZHANG Haina，CUIShufang，LIU Yi，WANG Guangen，JINWeiping，HAN Xuan，LIJunlan

（Institute of Cotton，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences／Key Laboratory of Cotton Biology and Genetic Breeding in Huanghuaihai Semiarid Area，Ministry of Agriculture，Shijiazhuang，Hebei050051，China）

If the gossypol restriction is removed for comprehensive utilization of cotton，the economic benefitof cotton farmerswill be greatly increased and the cotton industry upgrading will be promoted.Cultivating of glandless cotton varieties is a key to solve this problem.The research progress of cotton pigmentgland was summarized from three aspects，including the pigment gland morphogenesis，the relationship between pigment gland and gossypol，and the inheritance of pigment gland.The role of previous study results about the mechanism of gland formation and new cotton variety breeding were briefly described.

cotton；pigment gland；gossypol；gland morphogenesis

S562.01

A

1001-5280（2017）02-0205-06

10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2017.02.24

2016 12 13

錢玉源（1987－），男，助理研究員，碩士，研究方向為棉花遺傳育種，Email：qyyuan8＠163.com。*通信作者：李俊蘭，研究員，碩士，主要從事棉花遺傳育種研究，Email：li－junlan＠sohu.com。

棉花生物學國家重點實驗室開放課題（CB2015A13）。