Improving Ramie Fiber: Current Progress and Future Directions in Molecular Breeding 综述：苎麻纤维改良：分子育种现状与未来方向

《Plants》：Improving Ramie Fiber: Current Progress and Future Directions in Molecular Breeding Linfeng Su, Fang Liu, Yinghong Tang, Song Gao, Hangfan Niu, Yanzhou Wang, Jianrong Chen and Touming Liu

　　

苎麻（Boehmeria nivea）以其优异的纤维强度、长度及独特性能著称，然而其遗传改良进程滞后于其他纤维作物。本综述综合了近期在苎麻纤维发育的遗传、基因组及分子层面的研究进展。群体基因组学分析揭示了显著的驯化、改良及野化特征，鉴定了大量受选择的纤维相关基因。平行的遗传学与分子研究定位了数十个调控纤维形成的位点与基因，奠定了分子育种的基础。然而，尽管遗传转化体系已具备可用性，但工程化修饰纤维性状仍面临方法学优化的挑战。总体而言，坚实的研究基础已然建立。未来，建立标记辅助选择与基因组选择育种体系、优化转化流程以及开发高效基因编辑技术，有望实现苎麻纤维品质与产量的分子育种改良。

1. 引言

苎麻（Boehmeria nivea）作为一种重要的天然韧皮纤维作物，其卓越的机械性能区别于大多数纤维植物。除了高强度外，苎麻还表现出优异的吸湿性、抗菌性和生物相容性，使其不仅应用于传统纺织工业，还拓展至复合材料、生物医学等特种领域。在长期栽培过程中，苎麻经历了广泛的人工选择。然而，直到近十年高通量测序技术的出现，才推动了该物种转录组、基因组和蛋白质组资源的产生。这些进展促进了遗传图谱构建、大量分子标记开发、若干基因功能表征以及苎麻次生细胞壁（SCW）合成模型的初步建立，并在表观遗传及转录后调控方面取得进展。此外，农杆菌介导的转化体系（包括外植体法、花浸法）及基因枪轰击法已在多个苎麻品种中实现成功转化。尽管取得了这些进展，与全球研究最深入的纤维作物棉花相比，苎麻研究起步相对较晚。这导致候选基因的功能验证有限，许多全基因组关联分析（GWAS）及数量性状位点（QTL）信号缺乏机制解析，遗传转化体系的稳定性与效率有待提高，且尚未建立基因编辑平台。这些限制共同阻碍了分子研究成果向实际育种成效的转化。

2. 育种目标

2.1. 降低胶类物质含量

脱胶是苎麻纤维生产的关键步骤。晒干的苎麻韧皮纤维含有28.50% ± 1.29%的总胶体物质，包括果胶、半纤维素、木质素、蜡质和水溶性物质。显微观察显示，网状和块状的果胶结构分布在韧皮纤维细胞间的半纤维素膜表面，形成填充中层胶质的果胶衍生膜层。由于苎麻韧皮纤维木质素含量极低（<1%），其比黄麻或作物秸秆等纤维更易脱胶。脱胶不完全会导致纤维相互粘连，不利于纺纱。近期研究开始鉴定影响苎麻纤维胶体物质含量的基因。GWAS分析检测到多个与果胶、半纤维素及其他胶质成分相关的位点和候选基因，包括14个参与多糖合成与代谢的基因（可能调控半纤维素沉积）和7个与钙转运或结合相关的基因（可能影响果胶组成）。此外，QTL定位结合差异表达分析揭示了3个参与木质素生物合成的候选基因。值得注意的是，现有证据表明果胶可能与纤维生长呈负相关。例如，KNOX基因Bnt07G011994可能通过促进果胶生物合成抑制纤维发育，而果胶甲酯酶基因Bnt14G019616与果胶含量正相关，但与纤维产量负相关。这些发现暗示降低果胶含量不仅可降低脱胶成本，还可能对纤维生长产生积极影响。

2.2. 提高纤维品质与产量

苎麻纤维相较于其他天然纤维具有显著的力学优势。微纤丝以螺旋状缠绕在细胞壁内，形成纤维的结构框架，其缠绕角度强烈影响力学行为。较小的微纤丝角导致更高的刚度和更线性的拉伸弹性。与其他韧皮纤维作物相比，苎麻因极低的微纤丝角（3–7.5°）表现出优越的刚度、线性拉伸弹性和尺寸稳定性。此外，苎麻纤维是韧皮纤维中最细、最软且最长的。然而，高性能并不排除对品质和产量的进一步改良。目前苎麻纤维产量的研究主要关注株高、茎粗、皮厚、纤维出麻率、茎数和分蘖数，而纤维品质主要评估纤维直径和细度。需要指出的是，“纤维细度”并非指物理直径，而是单位重量下的纤维长度。跨品种研究表明，株高、茎粗、皮厚和纤维直径等产量相关性状与纤维细度呈负相关。一种可能的解释是部分苎麻品种在纤维细胞壁中积累了更多纤维素，从而提高了纤维产量。尽管如此，通过靶向影响纤维数量和细度的基因并进行精细组合，仍有可能培育出兼具高产与高细度的品种。虽然苎麻确实拥有韧皮作物中最细软的纤维并保持高拉伸强度，但细度较高的纤维往往表现出较低强度。随着苎麻纤维细胞的成熟，通常在后期阶段发展出更高的结晶度和更强的韧性。这引出了一个重要问题：追求更高细度的目的是什么？如果目标仅是获得更柔软的纤维，那么不仅低细度，高结晶度（有助于强度）也可能与所需的柔软度冲突。在复合材料中，虽然纤维直径的减小会增加复合材料的强度，但单纯掺入苎麻纤维也已显示出增强作用。考虑到纤维细胞壁最内层S3层含有最高纤维素含量并表现出最大强度，如果以增加细度为代价减少了S3层的沉积，细度对复合材料强度的实际影响仍难以预测。因此，在定义育种目标时，建议为纤维细度设定两个截然不同的目标——趋向“粗”和趋向“细”，这不仅为纺织工业提供了更大灵活性，也适应当前苎麻纤维细度如何影响复合材料力学性能的不确定性。同时，纤维强度应作为独立的育种目标，与细度或纤维直径明确区分。

3. 纤维性状的遗传基础

3.1. 纤维品质性状的遗传结构

纤维品质包括长度、强度和细度。虽然棉花和苎麻纤维的长度和强度均适合纺织制造，但苎麻纤维的细度不足以生产高质量织物。因此，细度是苎麻纤维品质的关键决定因素。在参考基因组可用之前，研究者通过分子标记关联分析发现了SSR标记RAM39与纤维细度显著相关。近年来，随着苎麻基因组学的进步，至少鉴定了8个与纤维细度相关的候选基因。其中，乙烯合成酶基因Bng.009591编码区的一个SNP与纤维细度显著相关。值得注意的是，苎麻纤维细度在生长后期迅速下降，这一现象可能归因于内源乙烯含量的增加。通过构建分离群体并结合动态转录组分析和细胞学观察，进一步证实了乙烯相关基因调控纤维细度性状的形成。此外，纤维素合酶基因Bng.008687的变异与纤维细度相关，而针对纤维胶质成分的GWAS鉴定了14个与糖代谢相关的候选基因，可能涉及半纤维素等成分。遗传作图还检测到了5个纤维木质素含量的QTL，其中qLC7的候选基因为MYB转录因子基因，其编码序列存在大量插入缺失。

3.2. 纤维产量及其相关性状的遗传结构

3.2.1. 纤维及其相关性状的QTL分析

苎麻纤维提取自茎皮，因此纤维产量是由分株数、茎长、茎粗、皮厚、鲜皮重和出麻率等组分性状决定的复合性状。利用分离群体构建连锁图谱并进行性状连锁定位是基因鉴定的常用策略。首个苎麻遗传连锁图谱包含132个SSR标记。利用该图谱鉴定了33个QTL，其中24个显示超显性效应，表明苎麻性状存在强烈的杂种优势。随后利用GBS技术构建了包含4338个分子标记的高密度遗传图谱，检测到4个纤维产量QTL及每个产量相关性状的2至6个QTL。例如，皮厚QTL qBT4a的候选基因预测编码MYB蛋白，其在中苎1号亲本中存在760 bp的外显子插入导致蛋白合成提前终止。茎长QTL qSL11b区间包含3个DELLA蛋白基因，鉴于DELLA蛋白是赤霉素信号的关键抑制因子并抑制植物生长，它们被视为该QTL的强候选基因。重要的是，利用F1分离群体进行的纤维产量相关性状QTL分析检测到了大量QTL，其中23个被鉴定为多效性位点，共同控制纤维产量和纤维细度，从而为这两个性状间的负相关提供了遗传学解释。野生苎麻种B. nivea var. tenacissima表现出低纤维产量，表明众多纤维产量相关基因在驯化过程中经历了选择。利用该野生种与栽培种中饲苎麻1号构建的F2群体开发了包含6433个标记、覆盖2476.5 cM的遗传图谱。遗传定位鉴定了47个与纤维产量相关的QTL，其中仅14个携带来自野生亲本的有利等位基因，进一步证明大多数纤维产量QTL在驯化过程中受到了选择。例如，纤维产量主效QTL qFY5的候选基因为生长素响应基因Bnt05G007931，该基因所在区域在栽培品种中表现出显著的核苷酸多样性降低，证实了其经受了驯化选择。此外，还检测到叶纤维含量的主效QTL，其候选基因whole_GLEAN_10016511编码MYB转录因子，在两个亲本启动子区域鉴定到两个大的插入/缺失片段。在拟南芥中过表达该候选基因导致转基因植株木质化纤维束显著增加，表明该基因可调控纤维形成并可能贡献于苎麻纤维产量。

3.2.2. 纤维产量性状的GWAS

苎麻种质资源的丰富遗传多样性使得利用自然群体的关联分析成为解析产量相关性状遗传结构的强大工具。早期研究使用107份苎麻核心种质鉴定了16个与纤维产量性状相关的SSR标记。随着特定位点扩增片段测序（SLAF-seq）等高通量标记识别技术的应用，在112份核心种质中检测到215,376个SNP标记，其中42个与纤维产量相关性状显著相关，另有44个与分株数相关。苎麻基因组序列的发布使得通过种质重测序构建全基因组变异图谱成为可能。对319份核心种质进行重测序鉴定了578万个变异，随后进行的全基因组关联分析（GWAS）在株高（PL）、茎粗（SD）、皮厚（BT）和分株数（RN）四个性状上鉴定了265个关联位点，其中60个（包含977个基因）为多效性位点。单倍型和表达分析进一步表明BnNAC29可能在调控茎粗和皮厚中发挥双重作用。此外，对301份苎麻种质进行重测序产生了673万个标记，随后的关联分析检测到129个显著信号。其中，编码NAC蛋白的基因Bnt03G004997启动子变异与出麻率显著相关。编码果胶甲酯酶的基因Bnt14G019616的编码区变异与皮重和纤维产量性状显著相关，且该基因在茎皮中的表达与果胶含量密切相关。

3.3. 其他韧皮纤维作物的QTL、GWAS分析

与苎麻类似，亚麻、大麻、黄麻和洋麻等其他韧皮纤维作物在QTL定位和关联研究方面也取得了实质性进展。除雌雄异株的大麻外，这些物种均已开发RIL群体用于QTL鉴定。与苎麻一样，纤维产量相关性状备受关注。值得注意的是，在亚麻中，一项基于SSR的关联研究利用MLM模型鉴定了一个与纤维强度相关的基因。在黄麻中，检测到6个与纤维强度相关的上位性QTL，表型分析表明纤维细度和纤维强度在很大程度上表现为独立性状。相比之下，苎麻中很少将纤维强度纳入QTL或关联分析，尽管它是纤维品质的重要组成部分。此外，纤维素含量是韧皮纤维品质的另一关键决定因素；在黄麻中已鉴定了5个与韧皮纤维纤维素含量相关的QTL。在洋麻中，检测到一个与洗脱率相关的QTL，可能有助于降低胶质含量的育种工作。

4. 纤维发育的分子机制

4.1. 次生细胞壁的模式化沉积与NAC–MYB网络

植物次生细胞壁（SCW）的沉积受高度保守的NAC–MYB转录调控网络控制。次生壁NAC主开关（SWNs）占据该层级顶端，激活参与纤维素、半纤维素和木质素生物合成的MYB转录因子级联，从而启动完整的次生壁形成程序。这一调控层级在苎麻中广泛保守，并已为该物种建立了次生壁形成模型。生长素作为上游信号启动SCW生物合成，部分通过液泡生长素转运蛋白WAT1。在苎麻中，编码WAT1的基因CL12943Contig1在驯化过程中显示出正选择信号并与皮厚相关；同样，另一个WAT1同源基因Whole_GLEAN_10007759与出麻率相关。此外，几个生长素响应基因如whole_GLEAN_10025406和Bnt05G007931与纤维产量性状相关。这些发现表明，生长素介导的SCW形成激活可能影响纤维产量，从而代表一个合理的育种靶点。NAC转录因子作为第一层主开关。在苎麻中，NAC基因经常与多种产量相关性状相关。在拟南芥中过表达苎麻NAC同源基因（包括BnNAC29、Bnt05G007257 (SND2)、Bnt03G004997 (VND4/5)和Bnt08G012573 (NST1/2)）可增加纤维细胞数量，支持其保守的调控作用。第二层主开关MYB46和MYB83协调下游转录因子调控SCW增厚。在苎麻中，数个MYB基因已被证实与纤维产量和细度相关。在拟南芥中的功能验证也已实现多个苎麻MYB基因，所有这些基因在过表达时均增加纤维细胞数量。值得注意的是，whole_GLEAN_10016511与苎麻叶片粗纤维含量相关，并在不同粗纤维水平品种间差异表达；其在拟南芥中的过表达增强了茎纤维含量，表明其功能谱更广泛。下游转录因子中，KNAT7是MYB46的直接靶标。过表达其苎麻同源基因Bnt07G011994会抑制拟南芥木质部发育，而过表达KNAT1同源基因whole_GLEAN_10029667也产生类似的纤维形成减少。下游结构基因方面，PRX被包含在苎麻SCW模型的木质素生物合成模块中，且PRX基因Bnt10G015742与更高的皮厚和纤维产量相关。参与半纤维素生物合成的RWA3也支持SCW模型对苎麻的适用性：在拟南芥中过表达其苎麻同源基因whole_GLEAN_10024150增加了木质部纤维数量和壁厚。这些发现表明苎麻拥有一个包含转录调节因子、结构基因和细胞骨架成分的保守次生壁形成程序。此外，APL–NAC86级联被证明调控韧皮部纤维分化，而乙烯和赤霉素信号协同促进次生壁增厚，表明激素通路与转录调节因子在韧皮纤维发育期间存在广泛的串扰。因此，激素相关基因也可能影响苎麻纤维性状。例如，ACC氧化酶基因Marker00009591的过表达增加了苎麻纤维细度。在拟南芥中，次生壁纤维素生物合成主要涉及CesA4/7/8纤维素合酶复合物，微管细胞骨架通过引导纤维素合酶复合物的运动决定沉积的空间模式。已在苎麻中鉴定了数个CesA基因，其中至少一个在栽培种和野生种间显示结构变异，这可能有助于苎麻纤维的独特性质。微管相关蛋白也影响SCW沉积，例如Bng.042170（驱动蛋白样蛋白KIN-7D）和Bng.086916（驱动蛋白轻链相关蛋白1）与纤维细度相关，这与细胞骨架在模式化SCW沉积期间引导纤维素合酶轨迹的作用一致。值得注意的是，三级细胞壁（TCW）的概念近年出现，描述纤维作物中一种内部、高结晶度、低木质素的壁层，不同于初生细胞壁（PCW）和SCW。尽管有综述提出苎麻也可能拥有TCW，但尚未有超微结构或组学水平的证据证实其存在，需进一步验证。若苎麻TCW形成最终被证实，可能为苎麻纤维异常高的结晶度和低木质素含量提供新见解。

4.2. 表观遗传与转录后调控

非编码RNA（ncRNAs）在植物生长、发育和胁迫响应中起关键调控作用。在苎麻中，已鉴定大量调控性ncRNA，其中microRNA（miRNA）是研究最广泛的类别。这些miRNA通过序列互补沉默靶mRNA，并表现出组织和阶段特异性表达模式，包括在韧皮纤维细胞中差异表达。除miRNA外，长链非编码RNA（lncRNA）和环状RNA（circRNA）也被认为参与纤维发育。例如，lncR00022274可能通过与基因BntWG10016451互作抑制纤维形成，表明ncRNA可作为改良纤维性状的潜在靶点。在蛋白质水平，翻译后调控为纤维发育提供了额外的控制层。苎麻蛋白质组学分析揭示了与纤维形成相关的多种结构和代谢蛋白。许多此类蛋白经历翻译后修饰，如泛素化和磷酸化。例如，MYB转录因子和RWA3同源物通过泛素依赖性蛋白降解途径受到调控。磷酸化也在纤维生长中起关键作用，如KNOX蛋白（纤维发育抑制剂）的动态激酶和磷酸酶介导的调控所示。这些发现强调了蛋白水平调控在连接基因表达与纤维表型中的重要性。

5. 苎麻基因组及其进化

随着测序技术的进步，自2018年以来至少完成了4个苎麻品种的基因组测序和组装，产生了6个版本。这些组装质量的提升反过来推动了苎麻遗传学和育种的发展。

5.1. 基因组组装与注释

5.1.1. 基于Illumina测序的苎麻组装

苎麻首个草图基因组于2018年发布。研究团队在Illumina HiSeq 2500平台上对中饲1号基因组进行了约85倍覆盖度的测序。最终组装总长335.6 Mb，scaffold N50为42,283 bp。第二个苎麻草图基因组同年发布，组装达341.9 Mb，scaffold N50为1126.36 kb。然而，这两个基于二代测序的苎麻基因组组装均表现出严重的碎片化。

5.1.2. 基于PacBio测序的苎麻组装

长读长测序技术的应用显著提高了苎麻基因组组装的连续性。通过整合Nanopore、PacBio、Hi-C和Illumina测序，完成了野生种B. nivea var. tenacissima和栽培种‘中饲苎麻1号’的完整从头基因组组装，基因组大小分别为270.2 Mb和266.6 Mb。scaffold N50分别达到19.55 Mb和17.80 Mb，97%的野生序列和93%的栽培序列锚定到14条染色体。BUSCO完整性评估为96.9%。LTR组装指数（LAI）评分将野生基因组列为金级（23.38），栽培基因组列为参考级（19.28），标志着迄今为止最完整的苎麻基因组。2023年利用PacBio RS II和Illumina测序组装了‘中饲1号’基因组，总大小为241.85 Mb，scaffold N50约17.61 Mb。利用PacBio Sequel II长读长测序组装了HZS10（一种野外收集的苎麻个体）的基因组，大小为294 Mb，scaffold N50为17.61 Mb。尽管长读长测序提高了连续性，现有的苎麻基因组组装仍包含数百个contig，表明需要进一步精细化。为了获得更全面的基因组资源，地方品种‘1380’的端粒到端粒（T2T）完整基因组已被组装，总大小为344 Mb，仅由14个contig组成，反映了所有染色体的无间隙连续性。

5.1.3. 基因组注释

不同苎麻基因组组装预测的基因数量差异很大。两个早期的Illumina组装分别注释了42,463和30,237个基因。相比之下，基于PacBio测序的基因组组装通常比这些Illumina版本预测的基因更少。这种差异可能是由于Illumina组装的碎片化导致的冗余。在‘1380’的T2T完整基因组中，注释了25,853个蛋白编码基因和3325个非编码RNA。此外，这些基因组版本的注释表明重复序列约占苎麻基因组的46%。例如，转座子占中饲1号基因组的46.3%，包括8.2%的DNA转座子和33.8%的LTR逆转录转座子。同样，在野生B. nivea var. tenacissima和中饲苎麻1号中，重复序列分别占基因组的45.5%和44.3%，其中LTR逆转录转座子占40.5%和39.1%。然而，在较新的HZS10和T2T组装中，重复序列分别占54.85%和61.19%，显著高于早期版本，表明由于组装质量限制，早期版本中大量重复序列未被组装。

5.2. 基因组进化

系统发育分析显示，苎麻与白桑（Morus alba）亲缘关系最近，两者约在4870万年前分化。对十个物种基因家族的比较分析揭示了1075个苎麻特有的基因家族，包含4082个基因。值得注意的是，其中包括5个推定的纤维素合酶基因，暗示其与苎麻独特纤维特性的潜在联系。进一步对14个物种的比较分析显示，在苎麻鉴定的14,295个基因家族中，有706个是独特的。扩展到四个物种（拟南芥、M. notabilis、苎麻和黄麻）的比较识别出1118个苎麻特有的基因家族。为了调查苎麻基因组的进化变化是否促进了纤维形成，Wang等人分析了85个已知纤维发育相关基因家族在几种纤维作物中的扩张情况。结果显示，洋麻、亚麻、大麻和棉花分别扩张了56、57、18和10个家族，而苎麻和黄麻仅分别扩张了4个和3个。苎麻的这种有限扩张可能源于单一的古老六倍体化事件且无近期全基因组加倍（WGD），因此表明其独特的纤维性状可能源于与其他纤维作物不同的进化路径。染色体进化调查显示，苎麻和桑树保留了14条染色体，而同属蔷薇目（Rosales）的枣和榕树分别仅有12条和13条染色体。这种差异表明苎麻进化过程中发生了染色体断裂和融合。同线性分析追溯了从早期蔷薇目物种枣到苎麻、桑树和榕树共同祖先的染色体进化。在此过渡期间，九条染色体基本保持完整，而其他三条经历了分裂和融合，产生了五条新染色体。苎麻和桑树完全保留了这14条染色体。然而在榕树中，其中两条染色体随后合并，总数减少到13条。

5.3. 驯化、改良与野化

野生亚种B. nivea var. tenacissima被广泛接受为栽培苎麻的祖先。与作物进化的普遍规律一样，栽培苎麻的发展包括驯化和随后的育种改良。然而，近年来苎麻产业的萎缩导致许多品种被废弃，其后代表现出明显的野化趋势。

5.3.1. 苎麻驯化

野生和栽培苎麻表现出广泛的遗传分歧。对其基因组的比较鉴定了13,090个共享基因家族，以及野生和栽培品种特有的1276和1068个家族。功能富集分析显示，野生特有基因主要在RNA聚合酶相关类别中富集，而栽培特有基因则在植物激素信号转导和光合作用途径中富集。对中饲1号和四种野生种（B. nivea var. nipononivea, B. nivea var. viridula, B. nivea var. tenacissima, 和 B. nivea var. nivea）的比较基因组分析证实了这些分类群间的多次基因流事件，并鉴定了269个经受正向选择的基因，这些基因同样富集于光合作用和激素响应途径。这些结果表明，调控生长效率和光合效率的基因在驯化过程中经受了定向选择。野生和栽培基因组均包含丰富的结构变异（SVs），包括5687个插入/缺失、3700个拷贝数变异、1880个倒位和1162个易位。最大的SV位于4号染色体上，包含38个基因，其中Bnt04G005505、Bnt04G05508和Bnt04G005520在发育中的茎皮中表现出差异表达。此外，栽培基因组1号染色体相邻区域的倒位和易位导致CesA基因复制，可能影响纤维合成。尽管野生和栽培苎麻群体间缺乏明显的全基因组分化（FST = 0.011），核苷酸多样性分析揭示了186个驯化区域，跨越组装基因组的7.36%。在这些选择性清除区域内存在92个纤维发育相关基因，其中11个是已知的转录调节因子。例如，编码拟南芥NST1/NST2同源NAC转录因子的Bnt08G012573在拟南芥中过表达显著增加韧皮部纤维数量。值得注意的是，纤维产量QTL qFY5和纤维伸长相关的赤霉素代谢基因BntGA2ox1均被鉴定为驯化选择的目标，暗示它们在苎麻驯化期间纤维性状进化中的作用。

5.3.2. 苎麻育种中纤维性状的改良

栽培苎麻品种在农艺性状上表现出广泛的遗传多样性。Zeng等人对254份