摘要：首次揭示化学脱叶剂诱导棉花叶片脱落的核心分子机制，并成功创制“减药不减效”的新型棉花种质，为提升机采棉品质、推动农业绿色发展提供关键技术支撑。
2025年3月29日Molecular Plant在线发表华中农业大学由张献龙院士带领的棉花团队题为“RAPID LEAF FALLING 1
facilitates chemical defoliation and mechanical harvesting in cotton
”的研究论文。首次揭示化学脱叶剂诱导棉花叶片脱落的核心分子机制，并成功创制“减药不减效”的新型棉花种质，为提升机采棉品质、推动农业绿色发展提供关键技术支撑。
研究背景
棉花作为全球重要的经济作物，其机械化采收是现代农业发展的必然趋势。然而，机械采收面临叶片残留影响纤维品质的难题，化学脱叶剂的应用成为解决这一问题的关键。尽管脱叶剂在农业生产中广泛应用，但其诱导叶片脱落的分子机制长期未被阐明，制约了精准调控技术的开发。
传统研究多聚焦于乙烯、生长素等激素在器官脱落中的作用，但对细胞异质性及关键细胞类型动态变化的认知仍存在空白。近年来，单细胞/单核转录组技术（snRNA-seq）的兴起为解析复杂组织中的细胞特异性调控网络提供了全新视角。由张献龙院士带领的华中农业大学棉花遗传改良团队，历时五年攻关，利用snRNA-seq，首次在棉花叶柄脱落区（Abscission Zone, AZ）中发现两类新型细胞簇，并揭示GhRLF1（RAPID LEAF FALLING 1）基因通过细胞分裂素代谢调控脱叶进程的分子机制，为棉花机械化采收提供了理论突破与技术支撑。
研究内容
单核转录组图谱揭示脱叶剂诱导的新型细胞类型
研究团队以新疆广泛种植的机采棉品种新陆早50号（X50）为材料，通过细胞学观察发现，叶柄基部存在约包含10层细胞的脱落区，在一定浓度脱叶剂处理48小时后，棉花植株的功能叶的叶柄基部从此区域发生断裂，脱离植株母体。利用10× Genomics平台对处理前后的叶柄脱落区进行单核转录组测序，成功捕获超过10万个细胞核的转录信息，构建了全球首个棉花叶柄脱落区单核分辨率转录图谱。
通过对脱叶剂处理前后的数据进行整合分析，鉴定出两个全新的细胞簇——脱落细胞（Abscission cells，Cluster 14）和保护层细胞（Protection layer cells，Cluster 15-16），在脱叶剂处理后特异性出现。功能富集分析显示，脱落细胞高表达胁迫响应和细胞分裂素分解代谢相关基因，而保护层细胞则激活果胶酶活性及细胞壁修饰通路。发育轨迹分析揭示，两类细胞呈现从脱落细胞向保护层细胞分化的动态过程，首次系统解析了化学脱叶诱导的细胞命运转变路径（图1）。
图1 棉花叶柄脱落区单细胞转录组的细胞图谱和聚簇注释
研究团队锁定脱落细胞特异性标记基因GhRLF1，该基因编码细胞分裂素氧化酶/脱氢酶（CKX）。单核苷酸多态性（SNP）分析发现，GhRLF1编码区718位点的单碱基突变（hapG/hap）与脱叶效率显著相关。通过CRISPR/Cas9敲除和过表达株系构建，证实GhRLF1通过降解细胞分裂素加速叶片脱落。过表达株系在脱叶剂处理72小时后上部叶片脱落率达95%，而敲除突变体仅50%（图2）。图2 GhRLF1加速脱叶剂处理后的叶片脱落进程
研究团队通过snRNA-seq数据挖掘，发现WRKY家族转录因子GhWRKY70与GhRLF1在脱落细胞中呈现高度共表达模式。EMSA和双荧光素酶报告系统证实，GhWRKY70直接结合GhRLF1启动子的W-box元件，激活其表达。有趣的是，脱叶剂处理48小时后，GhWRKY70表达下降，而MYB家族转录因子GhMYB108通过结合GhRLF1启动子的MYB位点，维持其高表达。这种GhWRKY70 作为“先锋者”和GhMYB108 作为“后继者” （GhWRKY70/GhMYB108→GhRLF1）的接力式调控确保了细胞分裂素持续降解，最终触发叶片脱落（图3）。
图3 GhWRKY70/GhMYB108-GhRLF1-CTK模块的化学脱落相关机制的示意图
为避免GhRLF1过表达导致的棉花减产，研究团队筛选出脱叶剂诱导、叶柄脱落区特异表达的proGhPER21启动子，构建proPER21::RLF1转基因株系。田间试验显示，该株系在70%脱叶剂用量下，脱叶效率仍优于100%脱叶剂处理下的野生型，且棉铃数量、皮棉产量与对照无显著差异。这一突破不仅减少30%化学药剂使用，还实现了脱叶效率与产量性状的平衡，为绿色农业提供了范例。
图4 “减药不减效”的新型棉花种质proPER21::GhRLF1
综上所述，全文总结：
（1）首次绘制棉花叶柄脱落区单核转录图谱，从分子水平定义了棉花化学脱叶剂处理后出现脱落细胞与保护层细胞两类新的细胞类群。
（2）提出“先锋-后继”转录因子接力调控模型GhWRKY70/GhMYB108-GhRLF1-CTK，解析脱叶剂诱导的时序性基因表达网络，阐明细胞分裂素稳态在化学脱叶中的核心作用。
（3）利用脱叶剂诱导型脱落区特异表达启动子proPER21驱动GhRLF1，实现GhRLF1在叶柄脱落区的精准表达，破解“一因多效”基因多性状连锁累赘难题，获得减少脱叶剂使用、加快脱叶而不影响产量的株系。
作者简介与致谢
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、湖北洪山实验室博士研究生张冰和岳丹丹为论文共同第一作者，团队杨细燕教授、团队学术带头人张献龙院士和新疆农垦科学院余渝研究员为论文共同通讯作者，英国杜伦大学Keith Lindsey教授、团队朱龙付教授、金双侠教授、王茂军教授、新疆农业科学院经济作物研究所徐海江研究员和中国农业大学杜明伟教授也参与了该项工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、新疆人才发展基金和新疆兵团科技项目的资助。
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来源：老妖聊科学
