棉花是重要的经济作物，棉花的采收均高度依赖机械化。培育理想株型（半矮紧凑）的棉花新品种对合理增加种植密度，提高纤维产量，降低收获成本和减少生长调节剂使用等均具有重要实践意义。植物激素，如赤霉素（GAs）和独脚金内酯（SLs），已被证明在调控植物生长发育，包括植物高度方面发挥着核心作用。但其调控陆地棉植株高度的遗传基础仍有待进一步探索。
蛋白质组学、修饰组学是探究植物性状形成及调控机制的重要工具。7月24日，中国农业科学院棉花研究所宋国立研究员团队利用质谱技术鉴定到独脚金内酯通路的抑制子GhSMXL7/8，并揭示其调控棉纤维发育的新机制。为理解独脚金内酯调控棉纤维发育提供了重要的分子见解（点击链接详细阅读：Plant Cell | 中棉所宋国立团队揭示独脚金内酯调控棉纤维细胞发育机制）。
无独有偶，2024年8月22日，中国农业科学院棉花研究所何守朴和杜雄明团队联合在植物领域TOP期刊Molecular Plant（IF=17.1）上发表了题为“The strigolactone-gibberellin crosstalk mediated by a distant silencer fine-tunes plant height in upland cotton”的研究论文。该研究确定了一个控制植株高度的主效位点(PH1)，并揭示了由GhD53-GhGARF-GhPH1/PAVPH1模块介导的GA-SL串扰机制，阐述了植物株高的遗传基础和基因互作网络，为通过调控GhPH1表达来培育半矮秆棉花品种提供了有价值的见解。该研究首先通过GWAS分析确定了调控株高的关键效应位点PH1，筛选验证了GhGARF通过调节GhPH1的转录来调控植株高度，进一步通过对GhGARF过表达棉花茎中的总蛋白进行免疫沉淀-质谱(IP-MS)分析，鉴定到GhGARF的关键上游调控因子GhD53，并通过转基因植株、酵母三杂交、VIGS系统等系列实验证实了GhD53-GhGARF-GhPH1/PAVPH1模块调控株高的机制。景杰生物为该研究提供了质谱分析技术支持。首先，研究者对来自不同环境的1245份陆地棉植株进行GWAS分析，鉴定到A01染色体上株高影响的主效位点——PH1，并发现该位点染色体区域内编码赤霉素降解酶（GA20ox1A）的基因为影响棉花株高的候选基因（GhPH1）。此外，研究发现矮杆种质（ph1）在GhPH1上游约16kb处有1133bp长的染色体片段缺失(PAVPH1)。杂交后代表型观察证实了PH1是调控株高的主要效应位点。通过构建转基因植株进行表型观察发现，GhPH1过表达植株株高降低、生长紧凑、GAs含量显著降低，敲除株系则相反。表明GhPH1具有调控株高的功能且可调控GAs水平。GhGARF、PAVPH1通过调节GhPH1的转录来调控植株高度
为阐明GhPH1在棉花中的调控机制，研究通过酵母单杂交筛库筛选鉴定到赤霉素调节转录因子GhGARF，其突变体呈矮化表型。蛋白-DNA互作系列验证实验结果表明，GhGARF可以直接结合在GhPH1的启动子E-box元件上，并抑制GhPH1的转录。此外，GhGARF也可以直接与PAVPH1上的E-box元件结合。染色质构象捕获实验证实，PAVPH1可以通过染色质loop与GhPH1的启动子互作，进而调控远端GhPH1的表达来精细调节株高。结合敲除实验、RT-qPCR实验结果，PAVPH1负调控GhPH1的转录，以上结果表明PAVPH1作为远端沉默子（distant silencer）来发挥功能，进而调控株高。GA和SL途径之间的相互作用在影响植物株高和分蘖数等性状方面起着至关重要的作用，但关于SL和GA通路之间串扰的研究仍有待进一步解析。为了研究SL影响GhPH1表达的机制，研究者从GhGARF-At-OE棉花的茎中提取总蛋白进行免疫沉淀-质谱(IP-MS)分析，发现GhGARF可以和SL信号的转录抑制因子GhD53发生相互作用，酵母双杂交、双荧光素酶报告实验、Co-IP实验证实了质谱结果的可靠性，该结果也为研究GhGARF的上游调控因子提供了至关重要的分子证据。此外，研究者发现GR245DS（内源性SL类似物）处理后，GhD53被快速降解，MG132可以抑制这种降解，这表明SL可通过泛素化降解GhD53。研究进一步构建了GhD53过表达和敲除株系，发现与WT相比，GhD53M-OE植株株高和纤维长度显著降低。相反，GhD53敲除突变体在不影响纤维质量和产量的情况下均表现出株高的增加。这些结果提示，GhD53可能作用于GhGARF上游调控植株高度。图3 GhD53与GhGARF互作并负调控植株高度GhD53干扰GhGARF与GhPH1启动子和PAVPH1的结合
最后，研究深入探究了GhD53调控株高的分子机制。研究者利用酵母三杂交等系列实验证明了GhD53蛋白可以显著降低GhGARF与GhPH1和PAVPH1启动子的结合。并通过VIGS系统证实了GhGARF作用于GhD53的下游，GhPH1作用于GhGARF的下游。因此，本研究发现了调控株高的GhD53-GhGARF-GhPH1/PAVPH1级联通路，即GhD53通过抑制GhGARF对GhPH1启动子和PAVPH1沉默子的DNA结合活性来调控植株高度。图4 GhD53干扰GhGARF与GhPH1启动子和1182 PAVPH1的结合综上所述，本研究基于GWAS分析、酵母筛选和质谱分析，鉴定到调控株高的关键效应位点PH1和调控因子GhGARF、GhD53。发现SL可触发GhD53的降解，中断GhD53与GhGARF的相互作用。游离的GhGARF结合GhPH1启动子和PAVPH1，并抑制GhPH1转录，而GhPH1可通过调节GA调控株高。总之，研究揭示了由GhD53-GhGARF-GhPH1/PAVPH1模块介导的GA-SL串扰机制。为棉花育种提供了新的基因资源。值得一提的是，本研究从植物激素调控植株生长发育入手，基于质谱分析，成功鉴定到调控株高的关键因子GhD53，并通过系列实验揭示了由GhD53-GhGARF-GhPH1/PAVPH1模块介导的GA-SL串扰机制在调控植物株高的发挥的重要作用。这一研究思路与本文开头提到的文章（Plant Cell | 中棉所宋国立团队揭示独脚金内酯调控棉纤维细胞发育机制）有异曲同工之妙，同样通过质谱分析鉴定到与关注表型紧密联系的调控因子，并基于此展开的分子机制研究。这些案例提示我们质谱分析在理解蛋白质功能和生物体作用中扮演了不可或缺的角色。这也启示我们，蛋白质组学、修饰组学是在传统分子生物学实验验证之外的又一重要研究思路。不仅帮助研究者在组学分析中挖掘细微线索，同样也为了理解植物的生长发育、抗病性、逆境适应等重要生物学过程提供了新的突破口和研究方向，为植物领域的研究开辟了全新的可能性。Tian Z, et al. 2024. The strigolactone-gibberellin crosstalk mediated by a distant silencer fine-tunes plant height in upland cotton. Mol Plant.
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