高产是作物育种最重要的目标。种子数量对产量形成具有至关重要的作用。胚珠是子房内着生的卵形小体，由心皮分生组织（CMM）突起形成，受精后发育成种子的结构。胚珠突起多少直接影响最终的种子数。前人研究表明β-1, 3-葡聚糖酶在植物生长和发育进程中扮演重要的角色，然而，它是否参与CMM发育及种子形成尚未有相关报道。

近日，棉花遗传与种质创新利用团队在植物学领域知名学术期刊《The Plant Journal》在线发表了题为“Suppressing a β-1, 3-glucanase gene expression increases the seed and fiber yield in cotton”的研究论文。该研究鉴定出一个在海岛棉和陆地棉心皮组织中差异表达的β-1, 3-葡聚糖酶基因GLU19，实验证实下调该基因表达可促进不同棉种的种子和纤维产量增加，揭示了心皮中胼胝质含量对种子数形成的重要影响。

海岛棉和陆地棉是两个主要的栽培棉种，然而二者在每铃种子数及铃重上具有显著差异。自然群体分析表明，陆地棉平均单铃重5g左右，而海岛棉平均单铃重则不到3g。本研究通过全面分析海岛棉和陆地棉种间心皮分生组织中差异表达基因和细胞学特性，鉴定出一个在海岛棉和陆地棉CMM中差异表达的基因GLU19。基于269份海岛棉材料和316份陆地棉材料的基因组重测序数据，发现GLU19启动子上具有一个种间特异的InDel位点。调控元件分析发现，该InDel紧邻心皮发育调节因子CRC转录因子的结合位点。EMSA和LUC分析均表明CRC对海岛棉GbGLU19启动子的结合程度高于陆地棉GhGLU19启动子，且这一强结合活性与GbGLU19的表达水平高于GhGLU19显著相关。

为了进一步证明GLU19表达水平与种子形成的关系，实验室创制了过量表达和下调表达GhGLU19的转基因棉花材料。研究发现提高GhGLU19的表达显著减少CMM中胼胝质沉积，其种子数量及单铃重明显降低。相反，下调表达GhGLU19 (GhGLU19-KD)的棉花则促进CMM中胼胝质沉积，种子数量及单铃重显著提高，棉花种子和纤维产量显著增加。进一步将GhGLU19-KD转基因位点导入多个不同的陆地棉和海岛棉遗传背景材料中，调查发现，无论Gh和Gb棉花背景材料，其F1和F2植株的种子和纤维产量均显著高于未携带该位点的对照植株。此外，还筛选了拟南芥GLU19同源基因的突变体，与野生型对照相比，该突变体也具有增加种子数量和种子产量的效应，表明调控该基因表达可用于不同植物提高种子产量的育种实践。

实验室王海棠博士为第一作者，郭旺珍教授为通讯作者。在读博士研究生刘楚楚、宋晓辉，已毕业博士研究生周雪松、硕士研究生万宇和钟山青年研究员李维希博士等参加了部分工作。该研究得到农业生物育种国家科技重大专项（2023ZD04068），江苏省重点研发计划（BE2022384）和省部共建现代作物生产协同创新中心项目资助。