全球气候变暖的持续加剧，极端高温天气对农作物生产的的威胁愈发严峻。棉花，作为全球重要的经济作物和我国纺织业的战略支柱，其生产受到夏季频发极端高温的严重挑战。高温与棉花花铃期的高度同步，导致花粉失活、花药不开裂、蕾铃脱落等问题，严重影响了棉花的产量和品质，成为制约棉花产业高质量发展的关键瓶颈。因此，培育能够抵御高温影响的耐热性棉花已成为育种领域的迫切需求。
华中农业大学棉花遗传改良团队在Science China Life Sciences发表题为“Reversing anther thermotolerance by manipulating the cis-elements in the promoter of a high-temperature upregulated gene Casein Kinase I in upland cotton”的研究论文。研究团队通过精确编辑棉花关键高温响应基因GhCKI的启动子区域，成功培育出能够抵御高温的棉花新品系，为棉花耐热性育种提供了全新的基因资源与分子育种技术。
图1. GhCKI启动子敲除突变体的创制
这些编辑事件降低了基因的表达水平，进一步表型分析显示，GhCKI表达量下降过多的突变体在常温下出现明显的雄性不育，而GhCKI表达下降适中的突变体在常温下花药发育正常。高温处理后，GhCKI表达量仍然处于适中水平的两个突变体（GhCKI-pro5, GhCKI-pro6）其花药发育正常，花粉活力和开裂率显著高于野生型，表现出明显的耐高温表型（图2）。
图2. GhCKI启动子敲除突变体表型的考察
研究进一步解析了GhCKI-pro5, GhCKI-pro6耐高温的分子调控机制，发现MYB类转录因子GhMYB73和GhMYB4可以结合于GhCKI启动子上的两个MYB结合位点，正向调控GhCKI基因在高温胁迫下的表达，当GhCKI启动子上的MYB结合位点或其侧翼序列被敲除后，会阻碍GhMYB73和GhMYB4在高温下激活GhCKI的表达，从而帮助GhCKI-pro5, GhCKI-pro6在极端高温条件下维持正常的花药发育（图 3）。
研究不仅揭示了GhCKI基因在棉花耐高温育种中的重要作用，更为未来培育高产、优质、耐热的棉花新品种奠定了坚实基础。此外，该研究为其他作物的重要基因通过启动子编辑，提高耐热性提供了新思路，为应对全球气候变暖带来的农业生产挑战提供了技术支持。
图3. 编辑GhCKI启动子提高陆地棉花药耐热性。
据悉，这是华中农业大学棉花遗传改良团队在棉花抗高温研究方向的又一新进展，前期该团队利用多组学技术和分子生物学解析了棉花高温不育机制，挖掘了抗高温基因，为棉花耐高温品种培育提供理论、技术和资源支持（Li et al., 2024a, Science China Life Sciences; Li et al., 2024b Advanced Science; Li et al., 2023, Plant Commnuications; Khan et al., 2023, Plant Biotechnology Journal; Khan et al., 2023, Crop Journal; Ma et al., 2022, Journal of Integrative Plant Biology; Li et al., 2022, Plant Physiology; Wu et al., 2022, Plant Biotechnology Journal; Ma et al., 2021 New Phytologist; Ma et al., 2018, Plant Cell）。
华中农业大学博士后李焱龙，已毕业硕士生付一诺，已毕业博士生李耀耀为该论文第一作者；华中农业大学张献龙院士、闵玲教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了农业生物育种项目、湖北省杰出青年基金、国家自然科学基金面上项目和中国博士后面上项目等项目的资助。
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https://doi.org/10.1007/s11427-024-2755-9
