南湖新闻网讯（通讯员 张瑞）近日，我校棉花遗传改良团队闵玲课题组在Science Advances上发表了题为“Polyploidization-Driven Formation of the GhRALF30L Gene Cluster Confers Basal Thermotolerance in Cotton Male Reproductive Organs via GhFERA1/GhCAPA1”的研究论文，揭示了棉花通过多倍化扩张GhRALF30L基因簇并进化出短肽结构的“基因复制+结构精简”的双保险策略，从而显著提升雄性生殖器官耐热性的分子机制。

GhRALF30L基因簇赋予棉花花药基础耐热性的工作模型

四倍体棉花中，GhRALF30L基因疯狂扩增，串联复制出23个拷贝，比二倍体祖先多5倍，且高温下形成“集体作战”模式，维持花药中的更高表达水平以维持花粉正常发育。基因编辑效率越高的Ghralf30l突变体，即功能缺失越严重的突变体高温抗性越差，证实了GhRALF30L基因剂量与耐热性呈正相关。

GhRALF30L成熟肽仅由19个氨基酸构成，与拟南芥中同源基因AtRALF30（54个氨基酸构成）相比，其成熟肽序列明显缩短。而在多倍化过程中相对保守的GhRALF4L（其基因数目由二倍体棉中的2个增加为四倍体棉中的5个），其成熟肽氨基酸数目（51）和拟南芥中同源基因AtRALF4（53）相比，未发生明显缩短。19个氨基酸构成的GhRALF30L热稳定性显著优于51个氨基酸构成的GhRALF4L。此外，GhRALF30L和GhRALF4L都在花药和花粉中优势表达，两者共同参与常温和高温条件下小孢子的发育，同时过度敲除GhRALF30L和GhRALF4L这两个基因簇，则会导致常温条件下花药开裂率降低和花粉败育的出现。

研究进一步发现，GhRALF30L和GhRALF4L通过与Malectin-like受体激酶GhFERs，GhANXs，GhBUPSs和GhCAPs互作及促进这四个受体激酶两两之间互作而发挥功能。Ghfer-1，Ghanx-1，Ghbups-1和Ghcap-1等功能缺失突变体在高温下出现严重的花药和花粉败育，且败育表型和Ghralfl30/l4突变体的表型类似。研究发现高温会分别引起GhFERA1，GhANXD1，GhBUPSA2和GhCAPA1在细胞膜和细胞质中凝聚，从而激活胁迫响应。并且GhRALF30L会显著促进GhFERA1和 GhCAPA1在高温条件下的凝聚，进一步诱导HSFA1B、HSP22.7、HSP70、HSP90和ROS清除基因的表达，进而帮助陆地棉花药和花粉建立耐热性。

本研究结果不仅阐明了多倍化驱动的GhRALF30L基因大量复制有助于增强陆地棉花药和花粉的高温抗性，也深化了对棉花雄性生殖器官感知与响应高温胁迫机制的理解。相关成果为耐高温关键基因的挖掘与利用，合成短肽直接喷施快速提升抗热性策略提供了理论依据和实践路径，对培育高温环境下仍能稳定结实的棉花品种具有重要应用价值。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良团队博士后张瑞为论文的第一作者，闵玲教授为论文的通讯作者，团队学术带头人张献龙院士参与了该研究的设计和指导，朱龙付教授、新疆农科院棉花所孔杰研究员、北京科技大学魏珣教授以及美国马萨诸塞大学Alice Y. Cheung院士也参与了该项工作。该研究得到了国家重点研发计划项目、农业生物育种重大项目、湖北省杰出青年基金、新疆人才发展基金、新疆“揭榜挂帅”项目、多抗机采棉生物育种创新团队项目和湖北省中央引导地方科技发展专项项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ady1386

英文摘要：

High-temperature stress in plant stamens frequently causes male sterility, limiting crop yields. Gene duplication resulting from polyploidization offers insights into plant adaptation to environmental stress. Here, we reveal that extensive duplication of GhRALF30L, which encodes an intrinsically disordered small peptide, contributes to thermotolerance in cotton male reproductive organs. Polyploidization has driven the formation of 23 GhRALF30L genes in allotetraploid cotton, whereas only four or five homologs are identified in its two diploid ancestors. Expression and functional analyses confirm that GhRALF30L regulates thermotolerance in a dosage-dependent manner, with reduced dosage decreasing heat resistance. Under heat stress, GhRALF30L interacts with GhFERA1/GhCAPA1 and enhances their condensation at the plasma membrane, which activates heat stress responses by up-regulating the expression of heat shock factors (HSFs), heat shock proteins (HSPs), and reactive oxygen species scavenging genes. Our findings demonstrate that the GhRALF30L gene cluster, resulting from polyploidization, confers thermotolerance through facilitating the condensation of GhFERA1/GhCAPA1.

审核人 闵玲