现任团队负责人：郭旺珍 教授    

一、研究进展

1. 优异种质形成遗传基础

        通过对249份海岛棉种质进行表型调查，发现产量和品质呈显著负相关，株型中株高、始节高、始节数与品质呈正相关，果枝数、节点数与产量呈正相关。重测序及GWAS分析分别鉴定到34、10、26个产量、品质、株型关联QTLs。单倍型分析发现大多数海岛棉优势单倍型利用效率不足60%。揭示了生长素和乙烯等激素相关基因在纤维发育过程中高表达，陆地棉染色体片段渐渗，海岛棉在育种过程中优异单倍型的驯化选择和重组是海岛棉优质纤维形成的三个主要贡献因素。通过对242份陆地棉种质进行表型调查，种子油份（OC）和蛋白（PC）含量呈极显著负相关。重测序及关联分析获得25个OC和30个PC关联的稳定QTLs，鉴定到8个油份蛋白相关的关键候选基因。基于335份陆地棉材料重测序信息，构建了产量、品质、抗逆等棉花重要性状关联位点数据库，含19698个关联位点。开发了InDel和结构变异关联标记224个，其中58个已经通过真实性验证，可用于实际生产应用, 部分研究成果在Plant Physiol发表。

鉴定了决定了棉花中CMM的纤维素沉积和种子产量相关的基因β-1,3-葡聚糖酶（GLU19），GhGLU19的过表达导致种子数量减少、棉铃重量减轻和CMM中纤维素形成减少，而GhGLU19-knockdown产生相反的表型。该工程策略可用于提高其他作物的种子产量（Plant J, 2024）。发现在棉纤维中特异表达的脂质转运蛋白GhLTP4过量表达和抑制表达分别导致棉纤维长度的显著增加和减少。GhLTP4参与 Cers转运，显著提高Cers含量并激活生长素响应通路，进而促进棉纤维细胞伸长，显著改良棉纤维品质（Plant Physiol, 2024）。

鉴定了在棉纤维中优势表达的MYB转录因子GhMYB4，揭示了GhMYB4和GhbHLH105/GhMYB212调节GhLTP4和GhSWEET12表达之间的相互作用，进而影响了脂质含量、生长素信号通路和蔗糖转运（Plant Physiol, 2024）。研究发现，过量表达GhCOBL9的棉纤维中微纤维排列更均匀致密，而RNAi抑制GhCOBL9表达导致棉纤维中的微纤维呈现明显的凹陷表型。GhCOBL9蛋白通过糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定在细胞膜表面结合纤维素，后续通过切割GPI修饰被释放到细胞壁中影响纤维素排列。GhMYB46-5通过结合GhCOBL9启动子上的M46RE元件调控GhCOBL9的表达，GhCOBL9与棉纤维发育中优势表达的GhFLA9编码蛋白相互作用共同调控纤维细胞壁发育。本研究系统解析了棉纤维次生壁优势表达基因GhCOBL9通过影响细胞壁中结晶纤维素的沉积进而调控棉纤维次生壁发育的分子机制，也为高产优质的棉花新品种培育提供了理论基础和种质材料，相关研究成果在Plant Physiol发表。

        本团队针对前期发掘的抗病候选基因GhMPK9开展了系统的功能和分子网络分析。发现过量表达GhMPK9显著提高棉花抗病性，而沉默GhMPK9的棉花植株表现为生殖生长被严重影响，无法产生后代。研究表明RAF-like蛋白激酶GhRAF39_1和WRKY转录因子GhWRKY40a是GhMPK9下游底物，GhRAF39_1作为GhMPK9的新型磷酸化底物介导了其对GhWRKY40a的磷酸化激活过程。沉默GhMPK9、GhRAF39_1和GhWRKY40a均降低了棉花对黄萎病的抗性。乙烯响应因子GhERF1b和脱落酸响应因子GhABF2为GhWRKY40a调控的下游关键靶基因，GhMPK9-GhRAF39_1-GhWRKY40a的级联磷酸化促进了GhERF1b表达但抑制GhABF2的表达。沉默GhERF1b显著抑制PR基因表达进而降低棉花对黄萎病的抗性，而沉默GhABF2则通过促进气孔开放，有助于降低植株体内温度和湿度，进而提高了棉花对黄萎病的抗性。综上所述，该研究解析了GhMPK9-GhRAF39_1-GhWRKY40a复合体通过调控GhERF1b介导的乙烯通路和GhABF2介导的ABA通路，加深了对棉花抗黄萎病分子机制的理解，为培育棉花抗病新品种提供了理论基础和基因资源，相关研究成果在Adv Sci发表。

        以海岛棉根诱导的黄萎病菌转录组数据为基础，鉴定到一个受诱导后显著上调表达的新型效应蛋白VdTRP，其对黄萎病致病力很重要。VdTRP与植物细胞膜成分磷脂酰丝氨酸（PS）结合，导致膜穿孔、细胞死亡、离子泄露。通过互作蛋白的筛选，发现棉花中类几丁质酶CTL1在体内和体外与VdTRP互作，阻止其靶向细胞膜，并延缓其毒力作用。CTL1没有几丁质酶活性，不能直接抑制病菌生长，其过量表达后还通过促进糖代谢水平及水杨酸积累提高植物系统性免疫反应。此外，CTL1也是参与棉花生长发育的一个关键基因，其表达被抑制会导致棉花细胞壁缺陷、脆杆、根发育弱，无法完成生长周期。研究结果解析了棉花与黄萎病菌互作的新模式，也揭示了植物能通过调控关键基因的表达来阻止病原菌毒力的新策略，相关研究成果在Nat Commun发表。

        以抗病品种海岛棉Hai7124和感病品种陆地棉Junmian1为亲本的BC₁分离群体，通过精细定位在D11染色体鉴定到一个与黄萎病抗性显著相关的QTL区间，发现其中一个渗透素蛋白基因GbOSM1与黄萎病抗性显著相关。研究发现GbOSM1的转录水平与植株的抗病性呈明显的正相关，GbOSM1可直接破坏细胞壁组分，抑制病原菌生长。过量表达GbOSM1的转基因棉花能激活植株全面的免疫反应。通过比较Hai7124和TM-1的OSM1基因组序列以及上游启动子序列，发现在ATG上游186 bp位置存在一个A/G碱基差异，该SNP变异导致被NFYA转录因子结合的CCAAT基序突变为CCGAT，且CCGAT基因型的海岛棉材料具有更高的OSM1转录水平及黄萎病抗性。NFYA5是一个显著受黄萎病菌诱导的转录因子，其负调控OSM1表达，沉默陆地棉TM-1中的GhNFYA5，导致GhOSM1的表达水平提高，植株抗病能力增强；而在海岛棉Hai7124中沉默GbNFYA5对抗病性基本无影响。综上，该研究揭示了OSM1启动子中A/G自然变异影响其转录水平差异以及植株抗病性的分子机制。本研究加深了对棉花渗透素蛋白抵御病原菌分子机制的深入认识，也为培育抗黄萎病棉花新品种提供了理论基础和基因资源，相关研究成果在Adv Sci发表。

抗逆性状关键基因。

        干旱胁迫严重影响棉花的产量和品质。泛素化是一种常见的翻译后修饰，RING型E3泛素连接酶在植物耐旱调控中发挥重要作用。本团队研究鉴定到一个干旱诱导基因GhMIEL1，编码一个RING型E3泛素连接酶。GhMIEL1受聚乙二醇(PEG-6000)和植物激素脱落酸(ABA)诱导表达。沉默和过表达GhMIEL1的棉花材料显著降低或增加了其耐旱性。过量表达GhMIEL1可以明显改善根系形态，提高根系活性细胞分裂素含量。进一步研究发现GhMYB66与GhMIEL1相互作用，GhMYB66蛋白能够被GhMIEL1泛素化并降解。沉默GhMYB66增加了植株的总根长和根尖数量以及活性细胞分裂素的含量。GhMYB66可以直接结合到GhLOG5启动子区域的MYB结合基序并抑制其表达。GhLOG5是一种编码细胞分裂素核苷5’-单磷酸磷酸核糖水解酶的基因。在干旱胁迫下，沉默GhLOG5降低了根系中活性细胞分裂素的含量，影响了根系发育，降低了植株耐旱性。综上所述，RING型E3泛素连接酶GhMIEL1能够泛素化和降解MYB转录因子GhMYB66，进而解除了GhMYB66对GhLOG5抑制转录效应，GhLOG5的高表达改变了植物根系细胞分裂素的稳态，增强了根系中活性细胞分裂素的含量，进而促进根系发育，根的总长度和根尖数量增加，棉花的耐旱性显著提高。该研究不仅加深了对植物中泛素化介导的耐旱性理论认知，也为育种实践中调控E3泛素连接酶提高作物耐旱性提供了新见解，相关研究成果在Plant J发表。

2. 优异种质设计技术

        利用分子和染色体高效育种平台，创制优异新种质，获得了陆地棉与亚洲棉、陆地棉与雷蒙德氏棉、陆地棉与特纳氏棉人工异源六倍体、草棉与澳洲棉人工异源四倍体材料。创制了陆地棉背景，亚洲棉、雷蒙德氏棉、澳洲棉、特纳氏棉等远缘染色体渐渗材料，对其不同生态区大田种植和性状进行了鉴定研究。研发了覆盖全基因组适宜于陆地棉种基因型鉴定的高多态SNP芯片（CottonSNP80K芯片），利用该芯片完成不同陆地棉资源基因型的鉴定工作，并基于多年多点纤维品质及产量表型数据，完成纤维品质及产量相关性状GWAS分析、优异等位变异和载体材料发掘，为高产、优质、多抗优异位点聚合的设计育种研究提供了重要技术支撑和亲本材料。

3. 作物优异新种质创制

创制了下调表达GLU19的高产早熟棉新材料3份，单铃重增加幅度为17%-25%，其中新材料3的单铃重可达7.8克 (Wang et al. 2024. Plant J)。申请棉花株型改良及产量提高的相关专利2件，植物新品种保护权2件。创制了下调GhVdR1、GhVdR2表达，以及过量表达CTL1、GbLYK7、VdR4，黄萎病抗性显著增强的转基因棉花新材料10份。申请相关国家发明专利6件。创制了过量表达GhMIEL1基因，抗旱性显著提高的新材料3份，干旱处理 8 天，复水3天后，植株成活率增加50%以上 (Chen et al. 2024. Plant Physiol)。通过多年多点的表型数据分析，筛选到海岛棉XH16渐渗陆地棉系9的优质渐渗系材料5份，与受体亲本相比，渐渗系材料的棉纤维长度增加12.74%-13.39%，同时其纤维强度增加14.89%-16.82%。申请与棉花纤维品质性状相关的优异基因分子标记及其应用相关专利4件。

4．作物新品种培育与应用

结合不同优异种质特点，配制1000多个杂交组合，用于多优异位点聚合材料选择。针对前期杂交育种创制的F7高代材料，进行多点、多环境鉴定，获聚合高产、优质、抗逆、早熟等优异位点，符合育种目标性状的高代材料50多份。2025年选送早熟、优质、高产的NA026和NA027品系参加新疆自治区区域试验。

2024年选育2个品系分别参加江苏（第二年区试）、安徽（第一年区试）的区域试验。选育“南农502”等高产、优质、抗病新材料6份申请新品种权保护。申请植物新品种保护权6件。

二、科研产出

1. 发表SCI论文

[1] Mi, X., Li, W., Chen, C., Xu, H., Wang, G., Jin, X., Zhang, D., and Guo, W. (2024). GhMPK9-GhRAF39_1-GhWRKY40a Regulates the GhERF1b- and GhABF2-Mediated Pathways to Increase Cotton Disease Resistance. Advanced science, 11(29):e2404400.

[2] Wang, H., Liu, C., Zhou, X., Wan, Y., Song, X., Li, W., and Guo, W. (2024). Suppressing a β-1,3-glucanase gene expression increases the seed and fibre yield in cotton. Plant Journal, 120(1):289-301.

[3] Chen, C., Zhang, D., Niu, X., Jin, X., Xu, H., Li, W., and Guo, W. (2024). MYB30-INTERACTING E3 LIGASE 1 regulates LONELY GUY 5-mediated cytokinin metabolism to promote drought tolerance in cotton. Plant Physiology, doi: 10.1093/plphys/kiae580.

[4] Wu, H., Song, X., Waqas-Amjid, M., Chen, C., Zhang, D., and Guo, W. (2024). Mining elite loci and candidate genes for root morphology-related traits at seedling stage by genome-wide association studies in Upland Cotton (Gossypium hirsutum L.). Journal of Integrative Agriculture, 23(10): 3406-3418.

[5] Zhang, D., Li, M., Chen, C., Wang, Y., Cheng, Z., Li, W., and Guo, W. (2024). Downregulation of GhALKBH10B improves drought tolerance through increasing the stability of photosynthesis related- and ABA signaling pathway genes in cotton. Environmental and Experimental Botany, 220:105687.

[6] Wang, G., Zhang, D., Wang, H., Kong, J., Chen, Z., Ruan, C., Deng, C., Zheng, Q., et al. (2024). Natural SNP Variation in GbOSM1Promotor Enhances Verticillium Wilt Resistance in Cotton. Advanced Science, 16:e2406522.

[7] Liu, H., Zhang, W., He, Q., Aikemu, R., Xu, H., Guo, Z., Wang, L., Li, W., Wang, G., Wang, X., Guo, W. (2024). Re-localization of a repeat-containing fungal effector by apoplastic protein Chitinase-like 1 blocks its toxicity. Nature Communications

[8] Liu, H., Zhang, W., Zeng, J., Zheng, Q., Guo, Z., Ruan, C., Li, W., Wang, G., Wang, X., Guo, W. (2024). A Golgi vesicle membrane localized cytochrome B561 regulates ascorbic acid regeneration and confers Verticillium wilt resistance in cotton. Plant Journal

[9] Duan, Y., Shang, X., Tian, R., Li, W., Song, X., Zhang, D., and Guo, W. (2024). Suppressing a mitochondrial calcium uniporter activates the calcium signaling pathway and promotes cell elongation in cotton. The Crop Journal, 12: 411-421.

[10] Song, X., Zhu, G., Su, X., Yu, Y., Duan, Y., Wang, H., Shang, X., Xu, H., et al. (2024). Combined genome and transcriptome analysis of elite fiber quality in Gossypium barbadense. Plant Physiology, 195(3):2158-2175.

[11] Duan, Y., Shang, X., Wu, R., Yu, Y., He, Q., Tian, R., Li, W., Zhu, G., and Guo, W. (2024). The transcription factor GhMYB4 represses lipid transfer and sucrose transporter genes and inhibits fiber cell elongation in cotton. Plant Physiology.

[12] Qingfei He, Yujia Yu, Zhiguang Qin, Yujia Duan, Hanqiao Liu, Weixi Li, Xiaohui Song, Guozhong Zhu, Xiaoguang Shang*, Wangzhen Guo*. COBRA-LIKE 9 modulates cotton cell wall development via regulating cellulose deposition. Plant Physiology, 2024

[13] Liu, F., Cai, S., Dai, L., Ai, N., Feng, G., Wang, N., Zhang, W., Liu, K., et al. (2024). SR45a plays a key role in enhancing cotton resistance to Verticillium dahliae by alternative splicing of immunity genes. Plant Journal, 119:137–152.

[14] Xu, M., Guo, H., Wang, Y., and Zhou, B. (2024). Identification of chromosomes by fluorescence in situ hybridization in Gossypium hirsutum via developing oligonucleotide probes. Genome, 67:64-77.

[15] Cui, C., Wan, H., Li, Z., Ai, N., and Zhou, B. (2024). Long noncoding RNA TRABA suppresses β-glucosidase-encoding BGLU24 to promote salt tolerance in cotton. Plant Physiology, 194:1120-1138.

[16] Liu, F., Cai, S., Wu, P., Dai, L., Li, X., Ai, N., Feng, G., Wang, N., et al. (2024). General Regulatory Factor7 regulates innate immune signalling to enhance Verticillium wilt resistance in cotton. Journal of Experimental Botany, 75:468-482.

2. 获批专利

[1]. GhLPL2基因在提高棉花黄萎病抗病性中的应用，授权专利号：ZL202310001792.3，完成人：郭旺珍、王桂林、王心宇，公告日：2024年1月10日；

[2]. 一种与棉花铃重性状紧密连锁的分子标记及其应用。授权专利号：ZL202311570563.X，完成人：周宝良、岳浩然，公告日：2024年2月20日；

[3]. 澳洲野生棉剪接因子GauSR45a及其应用。授权专利号：ZL202311614361.0，完成人：周宝良、刘富杰，公告日：2024年3月1日。

3. 成果转让

“一种与棉花铃重性状紧密连锁的分子标记及其应用”专利权转让，转让对象：新疆金丰源种业有限公司。