Ind Crop Prod：罗明团队揭示KCR样基因GhKCRL1通过阻断纤维细胞中鞘脂的合成来抑制纤维伸长

2022年7月，西南大学的相关研究人员在《Industrial Crops & Products》（IF: 6.4）上发表了题为“Down-regulating a fiber-specific KCR like gene GhKCRL1 suppressed fiber elongation through blocking the synthesis of sphingolipids in fiber cell”的研究论文，揭示了GhKCRL1基因对纤维细胞伸长的影响及相关机制。

亮点概述：

在陆地棉中鉴定出行的KCR (3-酮酰辅酶 A 还原酶)样基因 GhKCRL1。
GhKCRL1位于内质网中，在纤维细胞中特异性表达，并在快速伸长阶段达到峰值。
GhKCRL1 通过调节 超长链脂肪酸（VLCFA）和鞘脂生物合成在棉花纤维伸长中发挥作用。

研究背景：

棉花(陆地棉)纤维是一种来自胚珠表皮的单细胞绒毛，其发育包括四个不同的重叠阶段: 起始阶段、伸长阶段(初级细胞壁形成)、次级细胞壁(SCW)沉积阶段和脱水阶段。由于伸长和SCW沉积的两个阶段持续时间相对较长，纤维细胞被认为是研究植物细胞伸长，纤维素生物合成和SCW沉积的理想模型。此外，这两个过程决定了成熟棉纤维的质量(长度、强度和细度)。在过去的二十年中，广泛的研究集中在了解纤维发育的调节机制。然而，棉花纤维细胞伸长和SCW形成的调控机制尚不清楚。

超长链脂肪酸 (VLCFA)在内质网中通过膜结合脂肪酸延伸系统(FAE)合成。每个延伸循环包括四个连续的酶促反应：缩合、还原、脱水和第二次还原，其中第二次还原以3-酮酰辅酶A合成酶(KCS)、3-酮酰辅酶A还原酶(KCR)、3-羟酰辅酶A脱水酶(HACD)和反式 -2-烯酰辅酶A还原酶(ECR)分别催化3-酮酰辅酶A还原。VLCFA在棉纤维细胞的发育中也发挥着重要作用。已有研究表明VLCFA和含有VLCFA的鞘脂分子种类参与了纤维细胞的生长和发育。棉花Ligon less-1(Li-1)突变体是一个纤维伸长突变体，在花开后7天（7 DPA）时，纤维长度远短于其野生型TM-1（Texas marker-1）。在7-14 DPA期间，Li-1突变体的纤维伸长率远低于同期野生型。因此，Li-1 被认为是研究纤维细胞伸长调控机制的理想材料。

研究人员首先分析了Li-突变体TM-1 10-DPA纤维细胞中不同的表达基因，发现类KCR基因GhKCRL1在Li-1突变体中表达明显下调。GhKCRL1与动物的17β-羟基类固醇脱氢酶12和陆地棉的GhKCR1，GhKCR2和GhKCR3具有低序列同一性。

接着，研究人员通过定量RT-PCR检测了棉花不同组织、器官以及不同发育阶段的纤维和胚珠中GhKCRL1基因的表达水平，发现GhKCRL1基因在纤维细胞中特异性表达，花后GhKCRL1基因的表达水平迅速升高，在10-DPA时达到峰值，而在10-DPA胚珠中无表达信号。10-DPA 后，GhKCRL1基因的表达水平迅速下降，提示GhKCRL1可能与纤维伸长有关。此外，进一步的荧光标记发现GhKCRL1定位于内质网，这与参与VLCFA生物合成的酶的亚细胞定位一致。

GhKCRL1的表达模式

随后，研究人员鉴定出GhKCRL1下调的转基因棉花植物，发现下调 GhKCRL1基因表达可抑制纤维伸长，显著缩短成熟纤维长度。由于VLCFA在植物中的主要参与鞘脂的合成，研究人员随即检测了转基因棉纤维中鞘脂含量的变化，发现含有VLCFA和LCFA的鞘脂在RNAi纤维细胞中显著下降。

转基因纤维细胞中含量显著降低的鞘脂分子种类

鉴于KCR是VLCFA生物合成途径中的重要酶，研究人员检测了10-DPA 转基因纤维中参与VLCFA和鞘脂生物合成的基因的表达。结果发现，在 GhKCRL1下调的棉纤维中，与鞘脂生物合成和VLCFA合成有关的大部分基因的表达水平均下降，表明抑制GhKCRL1的表达会影响快速伸长阶段纤维细胞中VLCFA和鞘脂的合成。

最后，为了进一步证实VLCFA缺乏导致转基因植物的纤维缩短，研究人员通过体外胚珠培养系统研究了外源应用C24 FA对转基因纤维伸长的影响，发现C24 FA的外源应用可以挽救转基因纤维的伸长。