综述：棉花纤维发育的分子和激素调控：从单细胞起始到次生壁增厚

《Journal of Cotton Research》：The molecular and hormonal regulation of cotton fiber development: from single-cell initiation to secondary wall thickening

　　摘要
棉纤维为研究植物细胞分化、伸长和细胞壁生物合成提供了一个出色的模型系统。基因组学、单细胞转录组学、基因组编辑和多组学方法的最新进展极大地扩展了我们对控制棉纤维发育的分子网络的理解。本综述综合了目前关于纤维起始、伸长和次生细胞壁（SCW）形成的转录、激素、表观遗传和代谢调控的知识。我们强调了关键转录因子家族（包括MYB、HD-ZIP、bHLH和NAC）在协调纤维细胞命运决定和形态发生中的核心作用。进一步讨论了生长素、赤霉素、油菜素内酯和独脚金内酯等植物激素如何相互作用以调节纤维伸长和SCW沉积。新兴证据还表明，表观遗传机制（包括染色质可及性和RNA甲基化）有助于阶段特异性基因表达的精细调节。此外，我们探讨了细胞骨架动态和脂质代谢如何促进极化细胞生长。最后，我们评估了CRISPR-Cas9介导的基因编辑在改善棉纤维方面的潜力，并提出了旨在弥合分子机制与农艺性状之间知识差距的未来研究方向。尽管取得了这些进展，但仍存在一些知识空白，包括激素层次结构的精确整合、多倍体棉花中预测调控模块的功能验证，以及在田间条件下通过基因编辑改善纤维质量的可行性。

引言
棉花（Gossypium hirsutum L.）是全球主要的天然纤维作物，占全球天然纺织市场的90%以上。棉纤维是由胚珠表皮分化而来的单细胞毛状体，这使它们成为研究植物细胞伸长、细胞壁生物合成和细胞命运决定机制的理想模型（Kim等人，2001年；Qin等人，2011年）。棉纤维的发育可以分为五个相互重叠的阶段：（1）纤维起始（开花后-3至0天），在此期间表皮细胞决定成为纤维细胞；（2）早期伸长（1-4天），此时启动的纤维开始极化扩展；（3）快速伸长（5-20天），其特征是广泛的极化生长；（4）过渡期（20-25天），此时伸长停止并开始SCW沉积；（5）SCW增厚和成熟（25-45天），此时纤维素和其他细胞壁聚合物积累形成成熟纤维（Haigler等人，2012年）。每个阶段都与特定的纤维质量特征密切相关：起始阶段影响纤维密度，伸长阶段主要决定纤维长度，而SCW沉积影响纤维强度、细度（麦克纳尔）和成熟度。
在过去十年中，棉花基因组学和功能基因组学取得了迅速进展。二倍体（G. raimondii和G. arboreum）（Huang等人，2024年；Sun等人，2024a）和四倍体棉花（G. hirsutum L.）的高质量基因组序列为基因发现和进化分析提供了重要资源（Hu等人，2019年；Zhang等人，2015年）。高通量技术的应用——包括RNA测序（RNA-seq）、可转座酶可及性染色质测序（ATAC-seq）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学（ST）——使得系统地识别纤维发育过程中活跃的基因调控网络成为可能（Bao等人，2023年；Chen等人，2023年；Qin等人，2022年；Sun等人，2025b；Wang等人，2022年）。同时，棉花中高效转化和CRISPR-Cas9基因组编辑系统的建立加速了候选基因的功能表征（Chen等人，2025年；Li等人，2024年）。值得注意的是，单细胞和空间组学工具越来越多地被用于解析纤维发育过程中的细胞异质性和时空基因表达模式，这将在后续章节中讨论。
这些多组学方法的整合不仅识别了每个发育阶段的关键调控因子，还揭示了转录、表观遗传、激素和代谢网络之间的复杂相互作用，从而提供了对纤维发育的系统级理解。本综述旨在将这些发现综合成一个连贯且层次分明的框架。具体而言，我们批判性地评估了支持每个调控模块的证据强度，探讨了棉花多倍体特性带来的独特挑战和机遇，并评估了新兴单细胞技术如何深化我们对发育动态的理解。在以下章节中，我们将讨论这些高通量技术如何推进了我们对（1）转录层次结构和转录因子（TF）相互作用、（2）激素相互作用和信号整合、（3）表观遗传和转录后调控、（4）细胞骨架和细胞壁动态以及（5）脂质代谢作为多种调控输入汇聚点的理解。

纤维发育的转录调控
转录调控是控制棉纤维细胞命运决定、伸长和SCW生物合成的核心机制。许多转录因子家族参与了这些过程，其中MYB、HD-ZIP、bHLH和NAC蛋白起着特别重要的作用。在讨论最新发现之前，概述每个发育阶段的已知生物学背景是重要的。纤维起始涉及胚珠表皮细胞决定成为毛状体的命运，这一过程历史上与R2R3-MYB转录因子GhMYB25类似物（也称为GhMML3）相关。纤维伸长的特点是细胞壁松弛和膨压驱动的快速极化细胞扩展。SCW沉积涉及纤维素、半纤维素和木质素的大规模合成和定向沉积。早期研究确立了激素信号（特别是生长素和赤霉素（GA）以及关键转录因子（如GhMYB25类似物）在纤维起始中的重要性（Walford等人，2011年）。更近期的工作进一步阐明了四倍体棉花中同源基因的功能差异和剂量敏感性，例如GhMYB25类似物_A和GhMYB25类似物_D（Chen等人，2025年；Zhu等人，2018年）。
MYB转录因子是棉花纤维发育中研究最广泛的转录因子之一。GhMYB25类似物是拟南芥MIXTA的同源物，在开花后-1至0天（DPA）主要在胚珠表皮中表达。来自功能研究的强有力的遗传证据表明，沉默GhMYB25类似物会显著减少绒毛和短纤维的起始，而其过表达会增加纤维密度（Liu等人，2024年；Walford等人，2011年）。Zhao等人（2024年）鉴定出一个天然显性负突变体GhMYB25类似物_AthapT，它抑制了天然GhMYB25类似物的活性，导致无绒毛表型并减少绒毛产量。这些发现共同强调了GhMYB25类似物剂量在纤维起始中的重要性（Liu等人，2024年）。在四倍体棉花中，两个同源基因GhMYB25类似物_A和GhMYB25类似物_D具有冗余功能，但存在剂量敏感性；同时抑制两者会导致无纤维表型，而单独抑制则对绒毛和短纤维产生不同影响（Chen等人，2025年；Zhu等人，2018年）。这种剂量依赖性行为突显了多倍体调控系统的特点，即表型结果不仅取决于基因身份，还取决于同源基因表达的定量平衡。其他MYB因子在发育的后期阶段也起作用。例如，GhMYB212在伸长阶段高度表达。Sun等人（2019年）证明GhMYB212直接激活蔗糖转运基因SUGARS WILL EVENTUALLY BE EXPORTED TRANSPORTERS 12（GhSWEET12），这对蔗糖进入伸长中的纤维至关重要。病毒诱导的基因沉默（VIGS）介导的GhMYB212或GhSWEET12表达抑制会导致纤维变短和蔗糖积累减少，突显了糖转运与纤维伸长之间的关键联系。相比之下，GhMYB4作为纤维伸长的负调控因子。Duan等人（2024年）证明GhMYB4通过结合其启动子抑制GhLTP4和GhSWEET12的表达。GhMYB4的敲低会增加纤维长度，而在拟南芥中的过表达会减少根和下胚轴的伸长，表明其在抑制细胞扩展方面的保守作用。在SCW沉积期间，GhMYB46和GhMYB52类似物促进纤维素生物合成同时抑制木质化。Yang等人（2024年）发现敲除GhMYB52类似物会增加木质素含量并降低绒毛百分比，表明该转录因子作为木质素生物合成的抑制因子以促进纤维素沉积。SQUAMOSA启动子结合蛋白（SBP）转录因子是参与各种发育过程的植物特异性调控因子。在棉花中，GhSBP1已被确定为纤维起始和伸长的正向调控因子。GhSBP1的过表达会增加纤维长度和起始密度，而其敲除会导致纤维变短和起始减少。DNA亲和纯化测序（DAP-seq）分析显示GhSBP1结合GTAC基序并直接激活下游靶基因的表达，包括硝酸盐转运基因GhNRT1.5、细胞骨架相关蛋白GhEzrA和参与膜转运的GhSH3P2。这些发现表明GhSBP1是一个关键的转录激活因子，它整合了营养转运、细胞骨架组织和膜动态以促进纤维发育（Li等人，2025年）。这些发现表明MYB转录因子并非作为孤立的阶段特异性开关，而是形成了一个功能多样的调控层，跨越起始、伸长以及在某些情况下与SCW相关的过程。更广泛地说，MYB家族似乎提供了发育特异性和调控灵活性，使棉纤维能够根据每个阶段变化的生理需求协调细胞命运决定。
HD-ZIP转录因子，尤其是III和IV亚家族的成员，对纤维细胞分化和伸长至关重要。Homeobox-leucine zipper蛋白3（GhHOX3）在伸长阶段高度表达，与TCP家族转录因子TCP家族转录因子4（GhTCP4）相互作用，调节从伸长到SCW合成的转变（Cao等人，2020年）。GhTCP4在SCW沉积期间的表达增加，其过表达会加速SCW生物合成，导致纤维变短且壁变厚。另一种HD-ZIP IV蛋白Homeobox-leucine zipper蛋白4（GhHOX4）通过直接激活扩展蛋白expansin-like B1D（GhEXLB1D）和木葡聚糖内转葡糖苷酶/水解酶基因GhXTH2D（Wang等人，2024年）的表达来促进纤维伸长。功能研究表明，抑制GhHOX4会缩短纤维长度，而其过表达会增强纤维伸长，为其在这一过程中的积极作用提供了有力证据。值得注意的是，GhHOX4的活性还受到脂质衍生信号的调节。磷脂酸（PA）是一种生物活性膜脂质，它直接结合GhHOX4的START结构域，抑制其核定位并影响其在纤维伸长期间的调控功能。两种HD-ZIP III转录因子GhHB14_D10和GhREV_D5在SCW形成中具有冗余功能。沉默任一基因都会降低纤维素含量和纤维壁厚度，这两种蛋白都直接激活纤维素合成基因GhCesA4-4和GhCesA7-2（Liu等人，2024年）。总体而言，这些结果将HD-ZIP蛋白定位为不仅仅是伸长调控因子，还是协调细胞扩展与膜组成和细胞壁动态变化的潜在分子枢纽。

bHLH转录因子通常以异二聚体形式发挥作用以调节纤维发育。GhFP1是纤维伸长的正向调控因子，在伸长阶段高度表达。Liu等人（2020年）证明GhFP1通过结合BR生物合成基因DWARF 4（GhDWF4）和CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC DWARF（GhCPD）的启动子来激活它们。GhFP1的过表达促进纤维和毛状体的伸长，而其抑制则会阻碍纤维发育（Liu等人，2020年）。这使bHLH转录因子在调控层次结构中处于一个特别有趣的位置，因为它们既可以作为直接的转录调控因子，也可以作为激素途径的上游调节因子。另一种bHLH蛋白Amplification-control-element-on-1（GhACE1）与GhFP2相互作用，GhFP2是一种缺乏DNA结合域的非典型HLH蛋白（Lu等人，2022年）。GhACE1激活质膜内在蛋白基因PLASMA MEMBRANE INTRINSIC PROTEIN 2;7（GhPIP2;7）和扩展蛋白GhEXP8的表达，两者都促进细胞壁松弛。然而，GhFP2和GhACE1之间的相互作用会抑制这种转录激活，形成一个精细调节纤维伸长的调控模块（Lu等人，2022年）。此外，GhbHLH105通过激活脂质转移蛋白基因GhLTP4来促进纤维伸长（Duan等人，2023年）。沉默GhbHLH105会减少纤维长度和棉铃大小，强调了脂质代谢在纤维发育中的重要性。综合这些发现，表明bHLH蛋白通过激素调节、细胞壁重塑和脂质相关途径的结合来促进纤维伸长。NAC和TCP转录因子是次生细胞壁（SCW）生物合成的关键调节因子。这与首次在拟南芥次生壁形成中阐明的保守NAC-MYB转录级联反应一致。在拟南芥中，SND1/NST1（NACs）激活下游的MYB46/MYB83，后者又调控一系列SCW效应因子。在棉花中，GhFSN1和GhFSN5似乎是功能类似的蛋白，尽管其完整的层级结构和保守程度需要进一步研究。含有F-box/SPRY结构域的蛋白1（GhFSN1）和GhFSN5在SCW沉积期间优先表达。Sun等人（2020年）报告称，在拟南芥中异源表达GhFSN5会降低纤维素和木质素含量并导致严重的不育性，这表明它在抑制SCW形成中可能起作用。相比之下，GhFSN1则作为SCW增厚的正向调节因子。尽管跨物种的功能检测应谨慎解释，但这些结果仍然表明NAC蛋白在SCW沉积过程中可能同时具有激活和抑制作用，从而有助于发育平衡，而不仅仅是单向促进壁厚增加。TCP家族蛋白GhTCP4在从伸长到SCW合成的转变中起着关键作用。Cao等人（2020年）证明GhTCP4与GhHOX3相互作用并抑制其转录活性。GhTCP4的过表达会上调SCW生物合成基因并加速SCW沉积，导致纤维较短但壁较厚；而其下调则会延迟SCW形成并略微增加纤维长度。这些发现将GhTCP4定位为一个关键的时序调节因子，协调持续伸长与SCW合成之间的平衡。更广泛地说，TCP模块展示了棉花纤维发育中的一个反复出现的主题：发育进程通常不是由单一的正向调节因子控制的，而是由对抗性的转录因子相互作用来调节，这些相互作用在连续的细胞程序之间调整调节平衡。

将这些发现整合成一个连贯的调控框架，我们研究了这些转录因子在发育阶段如何分层和组合地相互作用（图1）。棉花纤维发育的转录调控是由来自不同家族的转录因子之间的复杂相互作用网络协调的。这些转录因子并非孤立运作，而是形成复杂的层次性和组合关系，包括蛋白质-蛋白质相互作用、转录级联和反馈循环，以精确协调细胞命运决定、伸长和SCW生物合成。在不同阶段，一个共同的调控架构显现出来，通常涉及对抗性的转录因子对、前馈循环以及激素信号向核心转录模块的汇聚。

图1 控制棉花纤维发育的分层转录网络。A. 启动阶段：主调节因子GhMYB25-like与GhDEL65、GhbHLH121和GhWDR相互作用，激活早期纤维基因（如GhPDF2、GhCYCD3;1）和乙烯信号传导。显性负突变体GhMYB25-like_AthapT抑制启动。B. 伸长阶段：转录因子对GhTCP4和GhHOX3、GhACE1和GhFP2、GhMYB4和GhMYB212共同调节。靶基因包括GhSWEET12、GhLTP4、GhEXP8和GhPIP2;7。BR信号通过GhBZR1调节GhFP2。C. SCW沉积阶段：核心激活因子GhFSN1、GhMYB52和GhMYB46驱动SCW形成，其中GhMYB52→GhFSN1形成正反馈。纤维素合成酶（GhCesA4-4和GhCesA7-2）由GhHB14_D10和GhREV_D5激活。GhKNL1平衡SCW和伸长。GhMYB30激活GhMUR3但抑制GhMYB46。

在启动阶段，MYB-bHLH-WD40（MBW）复合体起着基础性作用，尽管存在变异。这个复合体是进化重布线的显著例子。虽然核心的R2R3-MYB（GhMYB25-like）和bHLH（GhDEL65）成分与拟南芥毛状体调节因子（GL1和GL3）保守，但它们的靶基因已分化，包括乙烯生物合成基因，反映了棉花纤维独特的发育背景。转录因子GhMYB25-like作为主调节因子，决定纤维细胞的命运。其活性可被显性负突变体GhMYB25-like_AthapT抑制，突显了其精确剂量和功能的关键性（Liu等人2024年）。另一个R2R3-MYB转录因子GhWER对早期事件至关重要。它与两个bHLH伙伴——转录因子EGL1-like（GhDEL65）和GhbHLH121相互作用，形成一个潜在的调控复合体，通过直接激活乙烯信号基因（如ACS1和ETR2）来促进纤维启动和早期伸长（Zhao等人2024年）。有趣的是，纤维启动与伸长的调控涉及特定相互作用；例如，MIXTA-like转录因子MYB16（GhMML4_D12）不与bHLH相互作用，而是与不同的WD40蛋白TRANSPARENT TESTA GLABRA 1（GhWDR）相互作用，以影响纤维发育，这与典型的拟南芥毛状体R2R3MYB-bHLH-WDR（MBW）复合体不同（Tian等人2020年）。

在伸长阶段，转录因子经常以对抗性对或模块的形式共同作用以精细调节过程。一个明显的例子是GhTCP4和GhHOX3之间的对抗作用。随着纤维向SCW沉积过渡，GhTCP4的表达增加，并与GhHOX3物理相互作用并抑制其转录活性。这种相互作用是终止伸长程序和启动SCW合成的关键机制（Cao等人2020年）。同样，两个bHLH/HLH蛋白GhACE1和GhFP2也表现为对抗性对。GhACE1是正向调节因子，激活细胞壁松弛基因GhEXP8和GhPIP2;7的表达；GhFP2是一种缺乏DNA结合域的非典型HLH蛋白，与GhACE1相互作用并抑制其转激活能力，从而负向调节伸长（Lu等人2022年）。GhFP2的表达受 brassinosteroid信号成分GhBZR1的调节，说明激素信号如何整合到转录网络中。此外，GhMYB4作为关键的负调节因子，抑制两个促进伸长的基因GhLTP4和GhSWEET12的表达。这种抑制被其他转录因子所抵消；GhBHLH105结合到GhLTP4启动子上以激活它（Duan等人2023年），而GhMYB212直接激活GhSWEET12（Sun等人2019年），表明一个抑制因子可以被多个激活因子所平衡。值得注意的是，从GhMYB25-like到GhMYB30，再到GhMUR3的转变揭示了一个连续的调控级联，将早期启动与后期伸长和细胞壁修饰联系起来（Wu等人2024年）。

SCW增厚的启动和进展由多层次的转录级联控制。GhTCP4位于这样一个级联的顶部，通过直接或间接上调一系列SCW生物合成基因来促进SCW形成。SCW纤维素合成的核心调控模块涉及NAC和MYB转录因子的相互作用，类似于拟南芥中保守的SND1-MYB46级联。NAC转录因子GhFSN1是SCW形成的正向调节因子。它与转录因子GhMYB52协同作用，后者又激活GhFSN1的表达，形成一个强化的正反馈循环（Qiao等人2025年）。另一层调控涉及特定转录因子之间的相互作用和相互调节。例如，HD-ZIP III转录因子GhHB14_D10和GhREV_D5物理相互作用并共同激活纤维素合成酶基因GhCesA4-4和GhCesA7-2（Liu等人2024年）。KNOX蛋白GhKNL1作为转录抑制因子，直接结合到SCW相关基因（如GhCesA4-2/4–4/8–2和GhMYB46）和伸长相关基因（如GhEXPA2D/4A-1）的启动子上，从而同时抑制伸长并促进SCW沉积（Wang等人2022年）。这种抑制可以是更大网络的一部分，因为GhMYB30激活GhMUR3的表达，但也抑制SCW激活因子GhMYB46的表达（Wu等人2024年）。最后，特定SCW组分的调控受到精确控制；木聚糖乙酰转移酶基因transducin beta like 3（GhTBL3）直接由SCW激活因子GhMYBL1激活，但被抑制因子kinetochore scaffold 1（GhKNL1）抑制，确保其表达为适当的SCW形成而精细调节（Wang等人2025年）（表1）。这个网络中的一个反复出现的主题是使用对抗性转录因子对（如GhTCP4/GhHOX3和GhACE1/GhFP2）和双功能调节因子（如GhKNL1），这为确保发育阶段的精确过渡和防止伸长和SCW程序的同时表达提供了强有力的机制。值得注意的是，多倍体棉花表现出广泛的遗传冗余和同源基因的分化，这使得简单的基因型-表型预测变得复杂，并需要在功能研究中仔细考虑剂量效应和补偿机制。

总之，棉花纤维发育的转录景观是一个高度互联和动态的网络。现有证据支持一个工作模型，即棉花纤维发育至少分为三个广泛的转录层次：（1）启动-指定调节因子，它们确定纤维细胞的命运；（2）促进伸长的调节因子，它们维持快速的极向扩展；（3）过渡和SCW相关调节因子，它们终止伸长并激活壁厚增加。主调节因子如GhMYB25-like启动纤维发育程序；然后通过对抗性转录因子对（如GhTCP4/GhHOX3和GhACE1/GhFP2）来精细调节伸长；最后，多层次的转录级联驱动SCW沉积。这个复杂的网络确保了每个发育阶段的精确时间和执行，最终决定了棉花纤维的产量和质量。

植物激素在纤维发育中起着核心作用，协调纤维的启动、伸长和SCW沉积。激素途径不是独立作用的，而是形成了一个相互连接的调控网络。在这些途径中，生长素、赤霉素（GA）、brassinosteroids（BR）、乙烯和strigolactones（SL）似乎是主要的正向调节因子，而细胞分裂素和茉莉酸（JA）通常起对抗作用或作为发育的微调因子。生长素参与纤维发育的多个阶段，从启动到SCW沉积。在纤维启动阶段，生长素转运蛋白GhPIN3a介导胚珠表皮中的不对称生长素分布。研究表明，细胞分裂素通过下调GhPIN3a表达和破坏极性生长素运输来抑制纤维启动（Zeng等人2019年）。两种AUX/IAA蛋白，生长素抗性2（GhAXR2）和短下胚轴2（GhSHY2），对纤维伸长产生对抗效应。Jin等人（2024年）发现沉默GhAXR2会损害纤维伸长，而沉默GhSHY2则会促进伸长。机制上，GhAXR2与AUXIN RESPONSE FACTOR 6–1（GhARF6-1）和GhARF23-2相互作用，抑制CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE 1（CTR1）的表达；而GhSHY2与GhARF7-1和GhARF19-1相互作用，激活XYLOGLUCAN ENDOTRANSGLUCOSYLASE/HYDROLASE 9（XTH9）和CINNAMATE-4-HYDROXYLASE（C4H）的表达。在SCW沉积阶段，生长素通过直接上调rac-like GTP-binding protein 13（GhRAC13）的表达来促进次生壁的合成（Zhang等人2020年）。GhRAC13又是活性氧（ROS）产生的关键调节因子，提供了激素信号与机械化学过程之间的直接联系。ROS不仅作为SCW启动的信号分子，还通过过氧化物酶介导的交联和氧化切割细胞壁聚合物来调节伸长，这一机制值得进一步探索。Zeng等人（2019年）表明，细胞分裂素通过下调GhPIN3a表达和破坏极性生长素运输来抑制纤维启动。总体而言，棉花纤维发育中的生长素信号传导最好不视为单一的线性途径，而是一个整合代谢和转录输入的中心。

GA是另一个主要的棉花纤维伸长正向调节因子。它通过刺激生长相关的转录程序和增强快速极向伸长的生理能力来促进细胞扩展。同时，GA通过抑制茉莉酸（JA）的生物合成来促进纤维伸长。Zhu等人（2025年）显示，在快速伸长的纤维中高水平的GA促进了DELLA蛋白GIBBERELLIC ACID INSENSITIVE（GhGAI1）的降解。这种降解促进了JASMONATE-INSENSITIVE 3（GhJAZ3）和bHLH转录因子MYC-TYPE TRANSCRIPTION FACTOR 3（GhMYC3）之间的相互作用，导致GhLOX3表达和JA生物合成受到抑制。因此，纤维保持了高水平的亚油酸——膜脂质生物合成的关键前体——同时避免了JA对细胞伸长的抑制（Zhu等人2025年）。这表明GA介导的伸长必须与竞争性的调节输入进行主动平衡，以防止生长时机不当或过度。另一种与GA相关的机制涉及丝氨酸蛋白酶抑制剂GbSER02，它在G. barbadense的纤维伸长期间优先表达。Jia等人（2025年）发现GbSER02与转录因子vascular one-zinc-finger protein 1（GhVOZ1）相互作用，减轻了其对gibberellin 3-oxidase 1（GhGA3ox1）的抑制作用，后者是关键的GA生物合成基因。在G. hirsutum中过表达GbSER02会增加纤维长度，证实了增强的GA生物合成促进纤维伸长。

BR信号在通过转录和代谢调节维持纤维伸长方面起着特别重要的作用。BR通过BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1（BES1）/BRASSINAZOLE-RESISTANT 1（BZR1）介导的信号通路来调节纤维伸长。Yang等人（2023年）证明，BR信号的关键转录因子GhBES1.4直接结合到3-KETOACYL-COA SYNTHASE 10（GhKCS10）的启动子中的BR响应元件（BRREs）上，后者编码一种非常长链脂肪酸（VLCFA）生物合成中的限速酶。GhBES1.4的过表达增加了VLCFA含量和纤维长度，而其沉默则产生相反的效果。相反，GhBZR3作为纤维伸长的负调节因子。Shi等人（2022年）显示，GhBZR3通过直接结合其启动子来抑制GhKCS13的表达。沉默GhBZR3增加了VLCFA含量和纤维长度。这种双重架构表明BR信号包含正向和抑制两个方面。因此，BR并不简单地均匀刺激伸长，而是精细调节生长的幅度和持续时间。此外，brassinosteroid信号在很大程度上依赖于蛋白质磷酸化级联。最近在棉花纤维中的磷酸组学分析绘制了GhBIN2介导的磷酸化调控网络。GhBIN2是BR信号传导中的关键激酶，它通过负调控作用抑制纤维的伸长。通过4D-fastDIA定量磷酸蛋白质组学分析，研究人员鉴定了GhBIN2的六个高置信度底物，其中包括GhIQD14。GhBIN2与GhIQD14相互作用并使其磷酸化，从而增加其稳定性并增强其在纤维伸长中的负调控作用。这项研究提供了BR信号传导中依赖磷酸化调节的系统级视图，并强调了GhBIN2作为控制纤维细胞扩展的磷酸调节网络中的核心节点（Liu等人，2025年）。乙烯信号在纤维的起始和伸长过程中起着关键作用。如上所述，GhWER激活乙烯生物合成基因ACS1和ETR2（Zhao等人，2024年）。乙烯通过调节细胞壁的可延展性并与生长素信号传导紧密相互作用来促进纤维伸长。特别是，乙烯响应因子GhERF108与生长素响应因子（GhARF7-1/7-2）物理结合，共同激活下游的SCW相关转录因子（如GhMYBL1）（Wang等人，2023年），突显了在SCW沉积过程中生长素和乙烯之间的关键调节协同作用。最近的研究进一步揭示了乙烯对纤维长度和强度之间的权衡具有剂量依赖性效应。在四倍体G. hirsutum中，升高的乙烯水平会抑制伸长但促进SCW的沉积，从而产生更短但更强的纤维。这种平衡是由涉及GhEIN3、GhERF和下游靶基因GhCOBL4的层次化转录级联反应介导的。有趣的是，在二倍体祖先G. arboreum中，相同的乙烯增加作用却会导致纤维更长更细，这是由于该保守调节模块的转录输出发生了进化性反转。这一发现强调了多倍性和亚基因组进化在重新配置激素响应中的关键作用，这一现象值得系统研究。除了转录调节外，乙烯生物合成还在翻译后水平上受到调节。CASEIN KINASE1（PK1）的激酶缺陷变体稳定了关键的ACS1异构体，从而增强了乙烯生物合成，为操纵纤维发育特性提供了可调模块（Zhang等人，2026年）。独脚金内酯已成为棉花纤维发育的一个有趣的上游调节因子。研究表明，SL信号抑制剂SUPPRESSOR OF MAX2 1 Like 7（GhSMXL7）和GhSMXL8负调控纤维伸长（Sun等人，2024b）。这些蛋白质与DELLA蛋白SLENDER RICE1（GhSLR1）相互作用并干扰其降解，从而抑制赤霉素（GA）信号传导。此外，GhSMXL7还与GhHOX3相互作用，阻止其结合到与纤维伸长相关的基因启动子上。另一个SL信号成分DWARF 53（GhD53）通过抑制ω-3脂肪酸去饱和酶基因fatty acid desaturase 3（GhFAD3）的表达来抑制纤维伸长（Wang等人，2025年）。SL诱导的GhD53降解解除了这种抑制，促进了亚油酸的生物合成和纤维伸长（Wang等人，2025年）。F-box蛋白MORE AXILLARY BRANCHES 2（GhMAX2）是SL信号传导的核心成分，它通过介导转录抑制剂strigolactone-1-factor-At（GhS1FA）的降解来促进纤维伸长（Sun等人，2025a）。GhS1FA直接结合到GhKCS9的启动子上并抑制其表达，从而抑制VLCFA的生物合成（Sun等人，2025a）（图1）。这些研究表明，SL可能处于比更直接的生长执行因子更高层次的调节位置。从概念上讲，SL尤为重要，因为它可能更多地作为一个允许性整合器发挥作用，而不是作为直接的效应激素。

在棉花纤维发育过程中，植物激素并不是孤立作用的；相反，它们形成了一个复杂的信号网络，通过相互作用和层次化互动实现精确的时空控制（图2）。为了建立一个稳健的调节模型，区分那些有强遗传证据支持的相互作用（例如，分析影响多个途径成分的突变体）和那些主要从相关表达模式或外源激素处理推断出的相互作用是至关重要的。因此，以下综合研究优先考虑基于遗传证据的发现。

图2
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激素在纤维发育中的相互作用和信号传导层次结构。A 信号整合：独脚金内酯（SL）降解抑制剂GhSMXL7/8和GhD53。展示了三个激素模块：GA与JA的拮抗作用：GA降解GhGAI1，释放GhJAZ3以抑制JA的合成；SL通过促进亚油酸积累来协同作用。生长素与细胞分裂素的拮抗作用：生长素（通过GhPIN3a）促进纤维起始；细胞分裂素抑制GhPIN3a并干扰生长素的分布。BR与生长素和乙烯的协同作用：BR激活GhBES1.4→GhKCS10；GhBZR3抑制GhKCS13。生长素-乙烯复合体（GhERF108-GhARF7）激活GhMYBL1→GhCesA4-1。B 信号汇聚：纤维细胞示意图显示了激素调节的过程：顶端（伸长）：GA、SL、生长素、BR促进细胞壁松弛（GhEXP8、GhXTH2D）、运输（GhSWEET12）、脂质合成（GhKCS10）。GhMYB4抑制GhLTP4和GhSWEET12。细胞基部（SCW）：生长素、乙烯、BR驱动SCW的起始、纤维素合成和木聚糖修饰。

在纤维起始过程中，生长素和细胞分裂素之间存在经典的拮抗关系。来自无纤维突变体xu142fl的遗传证据表明，该突变体表现出升高的细胞分裂素水平和异常的生长素分布，支持细胞分裂素通过拮抗生长素运输来抑制纤维起始的模型。生长素通过建立不对称的分布来促进胚珠表皮细胞向纤维细胞命运的转变，这一过程由极性生长素转运蛋白GhPIN3a介导（Zeng等人，2019年）。相反，细胞分裂素通过下调GhPIN3a的表达并破坏GhPIN3a在质膜上的定位来抑制纤维起始，从而扰乱生长素的分布（Zeng等人，2019年）。这种拮抗关系在无纤维突变体xu142fl中也得到了证实，该突变体同样表现出升高的细胞分裂素水平和异常的生长素分布。

GA与JA之间的拮抗关系通过SL信号传导得到整合。将GA置于JA上游的遗传分析得到了GA介导的DELLA（GhGAI1）降解的支持，这缓解了对GhJAZ3-GhMYC3模块的抑制，导致GhLOX3表达受抑制和JA合成减少（Zhu等人，2025年）。GA通过降解DELLA蛋白（如GhGAI1）来促进纤维伸长。一个关键机制是GA介导的GhGAI1降解促进了GhJAZ3与转录因子GhMYC3之间的相互作用，导致GhLOX3（一个关键的JA生物合成基因）的抑制，进而抑制JA的合成（Zhu等人，2025年）。这使得纤维细胞能够积累高水平的亚油酸（一种膜脂质前体），同时避免JA引起的生长抑制。SL信号传导通过降解转录抑制剂GhD53来强化这种促进伸长的环境，这缓解了对GhFAD3（编码ω-3脂肪酸去饱和酶）的抑制，并进一步促进亚油酸的积累（Wang等人，2025年）。因此，SL与GA协同作用，优化了纤维伸长的代谢环境。

多项遗传证据支持SL作为一个核心信号枢纽的假设，这些证据表明其抑制剂（SMXL7/8、D53）直接与生长素和GA途径的成分相互作用并抑制它们。作为高级整合器，SL信号传导通过降解其抑制剂来调节下游途径。首先，关于GA的整合，SL信号传导降解GhSMXL7和GhSMXL8，解除它们对GA途径的抑制。GhSMXL7/8蛋白与DELLA蛋白GhSLR1（GA信号传导的关键抑制剂）相互作用，并干扰E3泛素连接酶GhGID2对其的识别和降解，从而抑制GA信号传导（Sun等人，2024b）。因此，SL通过降解GhSMXL7/8间接增强了GA信号传导的输出。其次，关于生长素的整合，GhSMXL7/8直接结合到生长素响应因子基因GhARF18-10A、GhARF18-10D和GhARF19-7D的启动子上，抑制它们的表达。沉默这些GhARF基因会导致纤维变短，表明SL通过降解GhSMXL7/8来促进生长素响应（Sun等人，2024b）。此外，GhSMXL7还与关键的纤维伸长因子GhHOX3相互作用，阻止其结合到下游靶基因的启动子上——这种抑制作用被SL信号传导解除（Sun等人，2024b）。SL抑制的蛋白质与生长素和GA途径的关键成分之间的这些直接物理相互作用为SL在层次上处于更高级的位置提供了机制基础。

在BR、生长素和乙烯之间观察到了协同关系。BR主要通过其核心转录因子GhBES1.4来促进纤维伸长，GhBES1.4直接激活GhKCS10的表达，从而刺激VLCFA的合成（Yang等人，2023年）。另一个BR信号成分GhBZR3通过抑制GhKCS13的表达来作为负向微调调节器，精确控制VLCFA的水平（Shi等人，2022年）。在转录水平上，BR途径的上游转录因子GhBZR1调节GhFP2的表达。GhFP2又与bHLH转录因子GhACE1相互作用，并抑制其激活细胞壁松弛基因（如GhEXP8和GhPIP2;7）的能力，从而负向调节伸长（Lu等人，2022年）。这说明了BR信号传导中的复杂正负反馈。乙烯和生长素共同促进SCW的沉积。乙烯响应因子GhERF108与生长素响应因子GhARF7-1和GhARF7-2物理结合，形成一个转录激活复合体。这个复合体共同激活下游关键转录因子GhMYBL1的表达，进而直接激活纤维素合成酶基因GhCesA4-1、GhCesA4-2和GhCesA8-1，从而驱动纤维素的合成（Wang等人，2023年）。

总之，可以构建一个控制棉花纤维发育的植物激素调节网络的层次模型：在顶层，SL作为一个主要的整合器。通过促进其信号抑制剂（如GhD53、GhSMXL7/8）的降解，它广泛释放了对生长素和GA信号途径的抑制，从而建立一个有利于纤维伸长的激素环境。核心的执行者是生长素和GA，它们作为纤维起始和伸长的主要正向调节因子。它们既协同作用（通过共同促进细胞伸长），也通过不同的下游靶点发挥作用。生长素更侧重于细胞命运的确定、细胞壁酸化和SCW的起始，而GA主要负责抑制JA的合成并促进代谢重编程。BR在转录和生理上与生长素和乙烯协同作用，特别是在调节VLCFA合成和SCW形成方面。多种激素的信号最终汇聚到关键代谢途径（包括VLCFA、纤维素和木聚糖合成）和细胞过程（如细胞壁松弛和细胞骨架重组）的调节上。最后，细胞分裂素和JA主要作为负向调节因子或发育微调因子。遗传证据支持它们的拮抗作用：细胞分裂素抑制生长素介导的起始（Zeng等人，2019年），而JA抑制GA促进的伸长（Zhu等人，2025年）。它们在特定阶段或特定条件下拮抗生长素和GA的作用，确保发育的精确性。在评估特定激素相互作用的因果支持强度时，区分有遗传证据支持的关系和主要从外源激素处理或相关组学数据推断出的关系至关重要。

这种复杂的激素相互作用网络确保了棉花纤维的高度协调发育。它为通过遗传操作或外源激素应用精确改善纤维质量和产量提供了丰富的理论基础和众多潜在靶点（图2）。

表观遗传和翻译后调节
表观遗传机制，包括染色质重塑、RNA甲基化和长非编码RNA（lncRNAs），在纤维发育过程中对基因表达的精细调节起着重要作用。这些调节层相互之间以及与转录和激素网络相互作用，以确保精确的发育控制。尽管取得了进展，但对表观遗传修饰因子的功能表征，特别是涉及组蛋白修饰和DNA甲基化的修饰，仍在棉花中处于早期阶段。在纤维发育过程中，染色质的可及性动态变化，反映了调节元件的活性。Bao等人（2023年）生成了不同发育阶段的棉花胚珠和纤维的全基因组DNase I超敏感位点（DHSs）图谱。他们发现胚珠和伸长纤维之间的染色质可及性模式存在差异，胚珠在富含可转移元件（TEs）的基因组区域表现出更高的可及性。这些富含TE的区域与参与胚珠细胞分裂的基因相关，表明TEs可能有助于早期纤维发育的调节。Chen等人（2023年）使用ATAC-seq比较了短纤维突变体ligon lintless-2和野生型棉花之间的染色质可及性。他们发现了富含已知调节纤维发育的转录因子（如MYB和bHLH蛋白）结合基序的差异可及区域（Chen等人，2023年）。这些发现表明，染色质重塑在建立特定阶段的基因表达程序中起着关键作用。在可及染色质区域中的基序富集直接将表观遗传状态与之前讨论的转录模块的活性联系起来，例如涉及MYB和bHLH转录因子。然而，关于纤维发育期间组蛋白修饰（如H3K4me3和H3K27me3）和DNA甲基化模式的全基因组图谱仍然缺乏。未来将这些数据集与染色质可及性整合的研究对于更全面理解表观遗传景观至关重要。

RNA甲基化（m6A）是一种重要的表观转录组修饰，它调节mRNA的稳定性和翻译。最近的研究表明，m6A甲基化通过调节参与生长调节的转录本的丰度和翻译效率来促进纤维伸长。Cao等人（2022年）系统地鉴定了棉花中的m6A甲基转移酶（METTL）基因家族，并发现GhMETTL3和GhMETTL14在纤维中高度表达。病毒诱导的GhMETTL3或GhMETTL14基因沉默（VIGS）会减少m6A的丰度并导致生长缺陷，表明m6A修饰对正常纤维发育至关重要。Xing等人（2023年）比较了短纤维突变体Li2和野生型棉花之间的m6A谱型，发现突变体中的m6A水平更高。他们证明m6A甲基化影响编码纤维伸长相关蛋白的mRNA的稳定性，包括转录因子、细胞骨架成分和细胞壁修饰酶。值得注意的是，TF GhMYB44能够负调控纤维伸长，在Li2突变体中显示出更高的m6A甲基化和mRNA稳定性。沉默GhMYB44可以增加纤维长度，这证实了它作为伸长负调控因子的作用（Xing等人，2023年）。因此，m6A修饰可以针对那些本身受染色质可及性调控的转录本，从而形成一个多层次的表观遗传环路，放大或减弱转录输出。这表明m6A作为一个转录后调控层，能够调节关键转录因子（如GhMYB44）的输出，从而将表观遗传控制与激素和转录网络联系起来（图3）。图3。

在棉花纤维发育过程中，m6A RNA甲基化途径起着重要作用：GhMETTL3/14催化在目标转录本上沉积m6A标记。mRNA有三种命运：稳定（绿色），其中YTHDF2增强转录本稳定性（例如在Li2中的GhMYB44）；降解（红色），由外泌体介导的周转；以及翻译（蓝色），通过增强多聚核糖体的招募。功能验证表明，沉默GhMETTL3会缩短纤维长度，而Li2突变体则表现出较高的m6A水平。B lncRNA调控网络：MSTRG.2723.1与多个调控模块相关，包括以GhMYB25为中心的转录调控、脂肪酸和果胶代谢，以及通过转录本切割实现的Ghr-miR2950介导的转录后控制。这些相互作用与Li1突变体的表型有关。

长链非编码RNA（lncRNAs）已成为纤维发育的重要调控因子。Salih等人（2019年）在棉花中鉴定出了18,333个lncRNAs，其中大多数是长基因间非编码RNA（lincRNAs）。两种lncRNAs，LNC_001237和LNC_017085，在Ligon-lintless-1（Li1）突变体中显著下调，该突变体表现出纤维发育受损。这些lncRNAs可能受到ghr-miR2950的调控，表明存在一个涉及lncRNAs和microRNAs的复杂调控网络。Zou等人（2022年）鉴定出一个关键lncRNA，MSTRG.2723.1，它可能通过调节参与脂肪酸代谢、MYB25介导的途径和果胶代谢的基因来调控纤维起始。共表达分析显示，不同的lncRNAs可能通过不同的调控模式发挥作用，并且也可能相互作用以协调纤维发育。需要注意的是，绝大多数lncRNA研究严重依赖于预测性生物信息学和共表达网络。迫切需要通过靶向基因操作（例如CRISPR-Cas9敲除或敲低）进行功能验证，以区分真正的调控lncRNAs和转录噪声。在完成此类验证之前，这些lncRNAs的作用仍然主要是推测性的。

细胞壁和细胞骨架的动态重组对于纤维伸长和SCW（次生细胞壁）的形成至关重要。在纤维发育期间，细胞壁生物合成经历了广泛的重塑。在伸长阶段，初生细胞壁被大量重塑以允许快速扩展。膨胀素、木葡聚糖内转糖基酶/水解酶（XTHs）和果胶修饰酶在这一过程中起关键作用。Sun等人（2020年）表明，果胶裂解酶基因GhPEL76在纤维伸长期间高表达，并正向调控细胞扩展。沉默GhPEL76会缩短纤维长度，而其过表达则会促进拟南芥各种器官的伸长。在SCW生物合成期间，纤维素合成酶复合体（CSCs）合成并将纤维素微纤丝沉积到细胞壁中。这些微纤丝的方向，作为纤维强度的关键决定因素，由下面的皮层微管引导。Wang等人（2023年）证明，TF GhMYBL1在GhERF108–GhARF7复合体的激活下，直接结合到纤维素合成酶基因GhCesA4-1、GhCesA4-2和GhCesA8-1的启动子上并激活它们的表达。GhCOBL9是一种类似COBRA的蛋白质，通过结合结晶纤维素来促进纤维素沉积（He等人，2024年）。GhCOBL9的过表达会增加纤维素含量和纤维强度，而其下调则会产生相反的效果（He等人，2024年）。木聚糖是SCW中的主要半纤维素，由O-乙酰转移酶如GhTBL3修饰。Wang等人（2025年）表明，GhTBL3维持适当的木聚糖乙酰化水平，这对正常的SCW形成至关重要。沉默GhTBL3会降低木聚糖乙酰化并损害SCW生物合成。细胞壁重塑与激素信号传导密切相关。例如，生长素通过GhRAC13促进ROS的产生，从而启动SCW合成，而BR信号影响VLCFA（挥发性长链脂肪酸）的生物合成，后者又与细胞壁相关过程相互作用。因此，RAC-NADPH氧化酶-ROS模块是一个重要的交汇点，通过它激素信号可以直接影响细胞壁的机械化学性质。这一部分还强调了一个更广泛的原则：细胞壁构建不仅仅是结构上的终点，而是转录和激素信号网络高度调控的结果。

细胞骨架动态对于建立和维持棉花纤维的极性生长至关重要。Yu等人（2019年）对棉花纤维伸长过程中的细胞骨架进行了活细胞成像，揭示了一种独特的肌动蛋白组织方式，它结合了扩散生长和顶端生长的特征。肌动蛋白细胞骨架沿细胞轴形成皮层网络，在纤维顶端形成闭合环，而微管在纤维柄部横向排列。这种组织方式支持一种偏向顶端的扩散生长模式，其中内膜区室沿纤维柄部双向移动，将细胞壁材料输送到生长中的顶端。GhMAP20L5是一种与微管相关的蛋白质，与微管蛋白GhTUB13相互作用并调控微管稳定性（Song等人，2023年）。微管与CSCs之间的关键联系通过蛋白质-蛋白质相互作用实现。微管相关蛋白（MAPs）和类似CSI1（纤维素合成酶相互作用蛋白）的蛋白质被认为通过将CSCs锚定在皮层微管上来引导它们的轨迹。沉默GhMAP20L5会降低纤维伸长速率和纤维长度，导致SCW变得更薄更松散（Song等人，2023年）。另一种与微管相关的蛋白质GhIQD21与钙调蛋白GhCaM7相互作用并影响微管组织（Li等人，2023年）。在拟南芥中异位表达GhIQD21会改变器官形态并降低皮层微管的方向一致性，表明它在调控微管动态中起作用（Li等人，2023年）。虽然这些研究确定了细胞骨架机制的组成部分，但连接微管和CSCs的精确分子链接器仍有待确定。未来的研究将重点关注理解在伸长到SCW转变过程中调节这些相互作用的磷酸化和其他转录后修饰。更广泛地说，解决细胞骨架动态如何与纤维素沉积、膜运输和激素信号传导协调的问题，对于构建极性纤维生长的机制模型至关重要。

脂质代谢和膜运输是整合激素和转录信号以调控纤维伸长和SCW生物合成的核心枢纽。脂质作为膜的结构成分，提供信号分子，并是细胞壁相关聚合物的前体。因此，脂质代谢不仅为膜生物发生提供必需的材料，还生成积极调控纤维发育的信号分子。然而，要完全理解其在纤维发育中的作用，需要将这些基因层面的描述与代谢通量和碳分配的定量视图结合起来。VLCFAs（挥发性长链脂肪酸）对纤维伸长很重要。多项研究表明，VLCFA生物合成受激素信号通路的调控。Yang等人（2023年）证明，BR信号通过GhBES1.4介导的GhKCS10表达激活来促进VLCFA生物合成。同样，SL信号通过缓解GhD53对GhFAD3表达的抑制来增强VLCFA的产生（Wang等人，2025年）。相反，BR信号抑制剂GhBZR3通过抑制GhKCS13表达来抑制VLCFA生物合成（Shi等人，2022年）。这些发现表明，多个激素通路汇聚在VLCFA生物合成上以调控纤维伸长。因此，TF-激素调控模块直接针对脂质生物合成基因来协调伸长。VLCFAs被整合到膜脂质中，影响膜流动性以及参与细胞壁合成和囊泡运输的蛋白质的功能。

鞘脂是膜的重要组成部分，同时也作为信号分子发挥作用。Zhang等人（2024年）表明，在纤维伸长期间鞘磷脂-1-磷酸（S1P）含量增加，在向SCW沉积转变期间减少。鞘磷脂激酶长链碱基（LCB）激酶1（GhLCBK1）在伸长阶段高表达并促进S1P合成。GhLCBK1的过表达会增加S1P含量并促进纤维伸长，而其下调会降低S1P水平并抑制伸长。S1P通过诱导膨胀素相关基因和生长素相关基因的表达以及增加纤维中的生长素含量来促进纤维伸长（Zhang等人，2024年）。PA是一种脂质第二信使，调节多种细胞过程。Wang等人（2024年）发现PA与TF GhHOX4相互作用并抑制其核定位，从而抑制GhHOX4靶基因如GhEXLB1D和GhXTH2D的表达。这种PA-GhHOX4相互作用代表了一种潜在的脂质介导的调控开关，可能有助于终止伸长并促进向SCW合成的转变（Wang等人，2024年）。因此，这种机制可能通过下调与纤维扩展相关的基因来促进伸长到SCW的转变（表2）。总之，脂质代谢物作为激素和转录网络下游的关键效应器，影响膜性质、细胞骨架组织和细胞壁动态，从而直接将调控信号与细胞生长过程联系起来。然而，要理解这些过程的机制，需要超越定性框架。未来的研究必须将转录组学和蛋白质组学数据与代谢组学和通量分析结合起来。例如，初级代谢物（如能量生产所需的代谢物）和次级代谢物（如纤维素和VLCFAs）之间的碳分配对于确定最终纤维质量至关重要。理解调控网络如何控制这种资源分配将是设计改良性状的关键。

分子育种和未来前景的识别关键调控基因和通路为通过分子育种改善棉花纤维质量和产量开辟了新的机会。CRISPR-Cas9介导的基因编辑已成功用于修改棉花中的纤维质量相关基因。Chen等人（2025年）表明，同时编辑GhMML3_D12及其副本GhMML3_A12会导致无纤维表型，而仅编辑一个基因会产生无绒毛的表型。这表明GhMML3基因以剂量依赖的方式调控绒毛和绒毛的发育。其他研究表明，敲除GhIAA14（SCW增厚的负调控因子）会导致纤维较短，但Micronaire值较高，细胞壁较厚（Guo等人，2025年）。尽管这些例子很有前景，但也突显了将基因编辑应用于实际生产的挑战，特别是在多倍体背景下。在四倍体棉花中的编辑效率可能变化很大，需要修改多达四个同源基因才能完全失去功能。此外，脱靶效应和等位基因特异性仍然是需要严格筛选和开发更精确编辑工具（如碱基编辑和Prime编辑）的问题。例如，虽然GhIAA14敲除会增加SCW厚度（可能提高纤维强度），但它也会降低纤维长度，这可能不适用于某些纺织应用。这种权衡突显了平衡性状的必要性。例如，通过启动子工程微调表达水平，而不是完全敲除，或通过多重编辑同时修改多个基因（如GhIAA14和伸长的负调控因子），可以帮助实现所需的性状组合。区分基因编辑的功能演示（如创建无纤维或改变纤维表型）和具有明确农艺价值的靶标是很重要的。一些编辑，如GhIAA14敲除，可能会改善一个性状（SCW厚度），但会损害其他性状（纤维长度），这突显了仔细平衡性状和多环境田间验证的必要性，以评估多效性和转化可行性（图4）。

基于CRISPR的棉花纤维改良育种流程：第一阶段，发现和组学分析：使用scRNA-seq和ATAC-seq来识别参与纤维发育的候选调控基因，如GhMYB212、GhMYB25-like和GhMML3。第二阶段，功能验证和编辑：通过CRISPR介导的编辑（gRNA + Cas9）评估候选基因，然后进行纤维性状的表型分析，包括纤维长度、细胞壁厚度和纤维密度。例如，敲除GhIAA14会导致纤维较短但细胞壁较厚。第三阶段，性状整合和田间测试：通过多环境田间试验评估编辑后的品系，并使用性状权衡矩阵评估性状权衡（如纤维长度与强度）。KASP标记有助于标记辅助选择。第四阶段，部署和育种整合：通过人工杂交将有利等位基因引入优良品种，然后进行后代选择和品种发布。新兴工具，包括碱基编辑和合成生物学，可能进一步提高育种的精确度和效率。基于关键基因的功能多态性的标记辅助选择是另一种有前景的方法。一个关键步骤是将这些分子调控因子与直接相关的定量性状位点（QTL）和全基因组关联研究（GWAS）信号联系起来。例如，在纤维强度QTL内映射因果基因为标记开发提供了直接途径。Zhang等人（2025年）基于GhABH（α/β-水解酶样蛋白）启动子中的SNP开发了一个KASP标记，该基因正向调控纤维强度。这种标记物可用于筛选具有改进纤维强度和长度的棉花基因型（Zhang等人，2025年）。同样，Zhao等人（2025年）发现GhGRDP1基因中存在一个1个碱基对的缺失，该缺失与种子指数和纤维百分比相关，为高产育种提供了有价值的目标。最近关于GhSBP1、乙烯剂量响应以及GhBIN2磷酸调节的研究展示了如何利用多层次调控网络来改良性状。例如，精细调节GhSBP1的表达或其下游靶基因可以同时促进纤维的形成和伸长。同样，通过调控乙烯的生物合成或信号传导成分，可以在考虑倍性的情况下打破纤维长度与强度之间的权衡。此外，针对GhBIN2或其底物等磷酸化位点进行调控，可以在不产生多效性的情况下精确控制BR介导的纤维伸长。将这些新发现的调控因子整合到基于CRISPR的编辑或标记辅助选择技术中，将加速培育出纤维品质和产量优化的棉花品种。

为了将功能基因组学的见解转化为品种改良，可以采用以下几种策略：（1）使用等位基因特异性编辑或启动子工程来精细调节关键调控因子的表达（如GhMYB25-like、GhMYB212），以优化纤维密度和长度，同时避免多效性；（2）通过标记辅助选择，将多个基因的有利等位基因进行叠加（例如，结合GhABH增强纤维强度和GhGRDP1提高产量）；（3）开发组织特异性或可诱导的CRISPR系统，以空间和时间上控制基因编辑，减少脱靶效应；（4）将基因组预测与高通量表型分析相结合，加速复杂性状的选育。实际挑战包括基因编辑的监管框架、公众接受度，以及确保编辑后的品系在多种环境中的表现稳定。未来的育种流程应结合深入的机制知识与农艺测试，培育出具有优良且稳定纤维品质的品种。

未来的研究应聚焦几个关键领域。首先，应使用单细胞多组学方法来解决细胞异质性问题，并在纤维发育过程中识别新的细胞类型或状态（Qin等人，2025年；Sun等人，2025b年）。这些方法对于将发育中的细胞状态与特定的调控和代谢程序联系起来尤为重要。然而，当前棉花领域的单细胞和空间组学研究面临技术挑战，包括基因捕获率低、同源基因的注释不确定性以及空间分辨率有限（Liu等人，2022年）。重要的是，将这些数据集与早期的批量RNA-seq模型整合起来，对于完善现有框架和区分广泛的发育程序与罕见的细胞类型特异性过程至关重要。其次，需要系统地绘制蛋白质-蛋白质相互作用网络，以识别调控纤维发育的关键复合体。第三，应探索介导环境对纤维品质影响的表观遗传机制，包括DNA甲基化和组蛋白修饰在应激记忆和表型可塑性中的作用。第四，关键转录因子（TFs）和激素信号传导成分的翻译后修饰研究仍然不足，这可能为调控提供另一层精细调节。最后，应整合高通量表型分析和基因组编辑技术，以加速培育出优质棉花品种（Mangi等人，2025年）。未来的工作还应优先解决机制理解与农艺应用之间的差距，解决实际问题，如田间表现、调控障碍和性状权衡。

**结论**
棉花纤维的发育是由一个复杂的调控网络协调的，该网络涉及转录调控因子、植物激素、表观遗传机制和代谢途径。关键转录因子如MYB25-like、MYB212、HOX3和GhKNL1在纤维形成、伸长和次生细胞壁（SCW）沉积中起主导作用。激素信号通路——生长素（auxin）、赤霉素（GA）、BR和脱落酸（SL）通过调控脂质代谢和细胞壁生物合成来协调这些过程。基于这些信息，我们提出了一个分层框架，其中独脚金内酯（strigolactone）作为高层次的整合因子，解除对生长素和GA通路的抑制，随后这两个通路在细胞分裂素（cytokinin）和茉莉酸（JA）的拮抗作用下发挥核心执行作用。表观遗传机制，包括染色质重塑和RNA甲基化，在特定阶段精细调节基因表达，尽管组蛋白修饰和DNA甲基化的作用仍需进一步研究。细胞骨架和细胞壁经历动态重组以支持极性生长和SCW的形成，微管-CSC引导机制是未来研究的关键领域。多组学数据与基因组编辑技术的整合为这些过程提供了前所未有的见解，并使得棉花纤维性状的精确工程成为可能。然而，仍存在一些关键知识空白，包括多倍体棉花中激素层次结构的整合、预测调控模块在田间条件下的功能验证、转录因子翻译后修饰的作用，以及将基因编辑成果转化为农艺上可行的品种。未来的一个主要挑战是从定性模型转向定量、预测性的框架，这些框架能够考虑剂量效应、网络鲁棒性和代谢通量，从而合理设计出纤维品质优化的棉花品种。未来的研究应进一步阐明这些调控层之间的复杂相互作用，并将这些机制知识转化为实际的棉花遗传改良。