棉花的丰收，不仅要“桃子”结得多，更要“腰杆”挺得直。茎秆的粗细程度，直接决定了棉花的抗倒伏能力和生物量积累，而这一切的关键，藏在茎里一层薄薄的“生长工厂”——维管形成层之中。那么，棉花茎秆的粗细究竟由谁说了算呢？
近日，中国农业科学院棉花研究所棉花分子遗传改良创新团队于Plant Communications发表的题为“The GhOFP1–GhTALE–GhXTHB transcriptional cascade regulates vascular cambium development in cotton stems”的研究论文，利用单细胞转录组测序从棉花茎中锁定维管形成层特异高表达基因GhXTHB，并层层追溯其上游调控因子，最终解析了GhOFP1–GhTALE–GhXTHB转录级联调控模块控制棉花茎秆径向生长的分子机制，为棉花株型改良和抗倒伏育种提供了可直接应用的分子靶点。
欧易生物为本研究提供了单细胞转录组生物信息学分析技术支持。
1.单细胞转录组锁定维管形成层特异高表达基因GhXTHB
研究对棉花品种ZM24的茎组织进行单细胞RNA测序，经严格质控与UMAP降维聚类，共鉴定出7个细胞类群，参考杨树和拟南芥已验证的茎组织标记基因完成细胞类型注释，其中类群2被鉴定为维管形成层细胞：
GhXTHB在形成层细胞类群中表达量位列前三，且表达变异显著；原位杂交进一步证实其特异地在棉花茎维管形成层区域高表达；
结构分析显示，GhXTHB编码含保守LamG（GH_16）结构域、具木葡聚糖内转糖苷酶（XET）活性的XTH家族蛋白，与拟南芥AtXTH5高度同源。
图1. GhXTHB是棉花维管形成层发育的关键调控因子
2.GhXTHB负调控维管形成层增殖与茎秆径向生长
研究构建了GhXTHB的CRISPR-Cas9敲除株系（KO-GhXTHB）和过表达株系（OE-GhXTHB），并对30天苗龄幼苗茎横切面进行组织学分析：
敲除株系：维管形成层细胞层数和宽度较野生型显著增加，茎直径增大，成熟后茎秆显著变粗，而木质部宽度基本不变；
· 过表达株系：形成层细胞层数减少、宽度降低，木质部宽度和细胞数略降，茎秆整体变细。
这表明GhXTHB是维管形成层细胞增殖的负调控因子：失去它，形成层“开足马力”，茎秆随之增粗。
图2. GhXTHB抑制转基因棉花的形成层活性并限制次生生长
3.GhTALE直接结合GhXTHB启动子并抑制其表达
为寻找GhXTHB的上游调控因子，研究利用PlantRegMap平台预测其启动子结合的转录因子，鉴定到一个GhTALE结合基序，并逐层验证：
EMSA实验证实GhTALE可在体外直接结合该基序；
双荧光素酶报告实验显示，共表达35S::GhTALE-GFP后pGhXTHB-Luc荧光显著减弱，即GhTALE抑制GhXTHB启动子活性；
ChIP-qPCR显示GhXTHB启动子片段在GhTALE-OE株系中富集超过100倍，证实了体内结合。
GhTALE属于KNOX转录因子家族，含保守的KNOX1、KNOX2、ELK和HD（同源异型结构域）基序，与木槿和拟南芥的KNAT1相似，定位于细胞核，原位杂交显示其同样特异表达于维管形成层。
图3. GhTALE通过靶向GhXTHB启动子直接调控其表达
4.GhTALE通过抑制GhXTHB正调控维管形成层增殖
功能验证结果显示，GhTALE与GhXTHB的调控作用恰好相反：
过表达株系（OE-GhTALE）：形成层细胞层数比野生型多1–2层，宽度显著增加，苗期和成株期茎基部直径均显著增大；
敲除株系（KO-GhTALE）：形成层发育严重受损、细胞层数减少、木质部扩展受阻，节间缩短、植株矮化、茎秆弯曲；
RT-qPCR和RNA-seq一致显示，KO-GhTALE中GhXTHB表达上调约1.8倍，OE-GhTALE中GhXTHB表达下调。
即GhTALE是维管形成层增殖的正调控因子，它通过转录抑制GhXTHB来促进形成层细胞增殖和茎秆增粗。
图4. GhTALE通过增强形成层活性促进棉花次生生长
5.酵母双杂交筛选出GhTALE的互作蛋白GhOFP1
为挖掘更上游的调控组分，研究以GhTALE为诱饵对棉花酵母文库进行酵母双杂交（Y2H）筛选，GhOFP1是筛选频率最高的互作蛋白：
Y2H、荧光素酶互补成像（LCI）、免疫共沉淀（Co-IP）和双分子荧光互补（BiFC）四重实验均证实GhTALE与GhOFP1存在物理互作，且互作发生在细胞核内；
GhOFP1含OVATE家族蛋白特征性保守结构域，与拟南芥AtOFP1高度相似，定位于细胞核；原位杂交显示其转录本主要定位于茎的形成层区域。
图5. GhTALE与GhOFP1互作调控维管形成层发育
6.GhOFP1通过GhTALE间接调控GhXTHB，充当形成层增殖的“刹车”
功能分析显示，GhOFP1同样负调控维管形成层发育：
敲除株系（KO-GhOFP1）：形成层细胞数和宽度显著增加，成熟期茎基部直径比对照粗2.5–4.5 mm；过表达株系则形成层发育受抑、茎秆变细；
在OE/KO-GhOFP1株系中GhTALE表达量不变，而GhXTHB表达量显著变化（KO中下调、OE中上调）；
EMSA和Y1H实验证明GhOFP1本身并不直接结合GhXTHB启动子，而是通过与GhTALE互作被招募到GhXTHB启动子区，削弱GhTALE对GhXTHB的转录抑制；
遗传验证（OE-GhTALE × OE-GhXTHB、OE-GhOFP1 × KO-GhXTHB杂交后代）显示，杂交株系茎秆表型基本由GhXTHB基因型决定，确认GhXTHB是该通路的关键下游节点。
图6 GhOFP1降低转基因棉花的形成层活性
本研究提出了GhOFP1–GhTALE–GhXTHB转录级联调控棉花维管形成层发育的工作模型：正常条件下，GhTALE与GhOFP1表达水平保持平衡，将GhXTHB维持在合适表达水平，维管形成层维持2–3层细胞的稳态增殖；当GhTALE上调或GhOFP1功能缺失时，GhXTHB受到的转录抑制增强、表达下调，形成层细胞增殖期延长、层数增加，茎秆随之加粗；反之，当GhTALE功能缺失时，GhXTHB表达上调，形成层发育受抑，茎秆变细。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101938
河南师范大学徐婧晖博士、郑州大学李林奇硕士、曲阜师范大学赵航、新疆农业垦殖现代农业产业化发展集团刘晓红为该论文共同第一作者。中国农业科学院棉花研究所詹晶晶助理研究员、葛晓阳研究员为该论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金B类（32522074）、国家自然科学基金C类（32401826）、中国农业科学院创新工程（CAAS-CSIAF-202402）、新疆生产建设兵团农业攻关项目（NYHXGG，2023AA102）、国家现代农业产业技术体系（CARS-15-02）、新疆揭榜挂帅项目（KY2024JBGS01）等资助。
本研究采用传统原生质体方案：棉花茎已开始木质化，需新鲜取材、酶解并保证细胞活力≥75%方可上机。2025年11月，中科院分子植物卓越中心王佳伟团队在Nature Methods发表FX-Cell技术，以"先固定、后酶解"锁定细胞真实转录状态，攻克木质化组织解离、田间与-80℃冻存样本上机、制备应激等痛点。欧易生物为该技术国内唯一指定服务商，已积累60+种植物实测数据，并提供"解离失败免收解离费、抽核失败免收抽核费"的兜底福利——欢迎联系小欧客服或当地销售工程师获取FX-Cell送测方案。
