PBJ（IF=10.5）| 中国农科院和华中农大团队运用多组学技术，绘制棉花纤维变长的磷酸化调控网络，育种改良有了新靶点

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近期，中国农业科学院棉花研究所联合华中农业大学团队，发表于植物领域国际权威期刊《Plant Biotechnology Journal》（IF = 10.5）的一项最新研究，聚焦棉花纤维这一独特的单细胞模型，通过多组学技术深度解析了棉花纤维伸长过程中的磷酸化调控网络，揭示了关键激酶GhBIN2如何通过磷酸化调控纤维细胞伸长。为植物细胞伸长机制研究及棉花育种改良提供了全新视角。

油菜素内酯（BR）是植物体内一类重要的激素，广泛参与细胞伸长、抗逆等多种生理过程。其信号传导离不开蛋白质磷酸化这一关键调控方式。GhBIN2作为BR信号通路中的核心负调控激酶，虽在拟南芥中有较多研究，但在棉花纤维这一“单细胞模型”中的调控机制仍不清晰。

本研究采用磷酸化修饰组学+蛋白质组学+转录组学多组学联用策略，结合遗传转化、酵母双杂交、体外激酶实验等分子生物学手段，系统解析了GhBIN2在棉花纤维伸长中的调控网络。

• 材料：陆地棉ZM49及其GhBIN2过表达（Ghbin2）和GhIQD14过表达转基因株系

• 取样时间点：10 DPA、15 DPA（纤维快速伸长期）

• 首次在棉花中构建单细胞水平磷酸化调控网络

• 发现GhBIN2通过磷酸化稳定GhIQD14，负调控纤维伸长

• 多组学整合揭示磷酸化–蛋白丰度–表型之间的直接关联

• 提出“多层次基因表达整合调控（IRGE）”在纤维发育中的作用

一、GhBIN2负向调控棉花纤维伸长

构建GhBIN2过表达和基因沉默的转基因棉花植株，观察其纤维发育表型；通过体外胚珠培养实验，使用GSK家族抑制剂Bikinin和油菜素内酯（BL）处理，验证GhBIN2是否参与BR信号通路。

成功从陆地棉中鉴定出核心基因GhBIN2，其在纤维中表达水平最高。表型分析显示，过表达GhBIN2的棉花纤维显著变短，而沉默GhBIN2则使纤维明显伸长，表明，GhBIN2是棉花纤维伸长的关键负调控因子。

Bikinin可恢复Ghbin2纤维伸长，BL处理对Ghbin2响应减弱，表明GhBIN2参与BR信号通路。

图1 GhBIN2负调节纤维伸长

二、GhBIN2介导棉花纤维中多种蛋白质的磷酸化修饰

采用定量磷酸化蛋白质组学技术，分析Ghbin2与野生型棉花在10天和15天纤维发育阶段的磷酸化修饰差异。

鉴定了超25000个磷酸化位点，4488个磷酸化蛋白质，发现GhBIN2过表达偏好作用于XXXRPXSP等特定序列基序。磷酸化修饰差异分析，发现GhBIN2介导核蛋白磷酸化的趋势更高，可能调节纤维生长。进一步功能分析表明，GhBIN2通过参与信号转导、翻译后修饰、细胞内转运、细胞骨架合成等过程调节纤维生长。

图2 GhBIN2体内磷酸化位点的表征

图3 GhBIN2通过磷酸化参与各种功能

三、多组学分析揭示纤维发育中GhBIN2介导的磷酸化网络

为了阐明GhBIN2调控棉纤维发育的分子机制，整合了ZM49和Ghbin2植株的10 DPA和15 DPA纤维的转录组学、磷酸化蛋白质组学和蛋白质组学数据。

通过将多组学数据与功能注释和通路富集相结合，描绘了一个分子网络，通过该分子网络，GhBIN2介导的磷酸化影响棉花纤维的发育。GhBIN2参与多种生物途径，包括激素生物合成和代谢、细胞分化和伸长、微管细胞骨架动力学和翻译后修饰，如磷酸化和泛素化，形成调节纤维伸长的调节网络。

图4 多组学分析揭示棉花纤维发育中GhBIN2介导的磷酸化调控网络

四、GhBIN2磷酸化并稳定GhIQD14，抑制纤维伸长

通过酵母双杂交、分裂荧光素酶互补、体外下拉实验和激酶活性实验，验证GhBIN2与GhIQD14的相互作用及磷酸化位点；并构建GhIQD14过表达与突变体植株，分析其功能。

GhIQD14被鉴定为GhBIN2的直接相互作用蛋白与磷酸化底物，其Ser97位点是关键的磷酸化位点，表明GhBIN2可特异性磷酸化GhIQD14的Ser97位点，增强其蛋白稳定性。在棉花和拟南芥中过表达GhIQD14均能抑制细胞伸长，且模拟持续磷酸化的版本抑制效果最强，而沉默该基因则促进伸长。以上结果表明，GhIQD14是GhBIN2下游的关键负调控靶标。最终完整阐明了“GhBIN2→磷酸化并稳定GhIQD14→抑制纤维伸长”这条具体的分子通路。

图5 GhBIN2与GhIQD14的磷酸化相互作用并介导其磷酸化

该研究系统阐明了GhBIN2作为BR信号通路关键激酶，通过磷酸化调控网络负向调控棉花纤维伸长的分子机制。GhBIN2不仅直接磷酸化GhIQD14等底物影响微管动态，还通过调控其他激酶和功能蛋白，在DNA甲基化、RNA剪接、蛋白泛素化等多个层面构建复杂级联调控反应。

研究结果深化了对BR信号通路磷酸化调控的理解，为植物细胞伸长机制提供了新的理论依据，同时为棉花纤维品质改良的分子育种提供了关键候选基因和靶点。

在高通量测序、高精度质谱与强大AI算力的共同驱动下，系统生物学迎来了以“多组学”整合为标志的范式迁移。研究范式正从聚焦局部的“单组学”分析，转向能够在系统尺度全面解读生命复杂性的“多组学”整合视角。

其核心价值在于多维信息的融合：转录组提供基因表达蓝图，蛋白质组揭示功能执行实体，翻译后修饰组刻画精细调控状态，代谢组反映最终生理输出。四者交汇，方能构建从基因型到表型的完整因果桥梁，实现对于复杂生物学过程的系统性解析。

在植物研究中，多组学发挥着“时空显微镜”的关键作用。它通过整合不同时空尺度的动态数据，完整揭示从逆境信号感知到代谢适应性形成的全过程，从而精准鉴定关键基因、解析调控网络，最终为作物的定向遗传改良和智慧育种设计提供坚实的理论依据与技术路径。这标志着植物科学正步入一个全景、可预测、可编程的新阶段。

参考文献

Liu L, Yu M, Wang L, et al. Mapping the Phosphorylation Regulatory Network of Single-Celled Fibre Elongation Mediated by GhBIN2 in Cotton. Plant Biotechnol J. 2025 Aug 17. doi: 10.1111/pbi.70311.

供稿：赵盼月

编辑：市场部