如何培育更抗旱的棉花？

棉花（Gossypium sp.）是非常重要的纖維作物，由棉花纖維所製成的布料兼具質輕與保暖的優點，且價格比絲織品便宜許多。除了中國，棉花都早早地就成了重要的纖維供應作物；而中國從宋朝開始，棉花也開始受到重視。

棉花由許多不同物種組成：中棉（G. arboreum）、草棉（G. herbaceum）、海島棉（G. barbadense）與高地棉（upland，G. hirsutum）。其中高地棉為目前市佔率最高的，而海島棉纖維最長。

高地棉。圖片來源：維基百科

隨著全球暖化造成的降雨不均，許多農作物都面臨著抗旱的需求，棉花也不例外。為了培育抗旱的棉花品系，最近有一個研究深入探討了高地棉中的CIPK6基因家族。

為什麼要探討這個基因家族呢？CIPK6（CBL-Interacting Protein Kinase 6）是一個植物特有的蛋白質激酶，它屬於絲胺酸/蘇胺酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase）。在植物中，它透過與CBL（Calcineurin B-Like）蛋白合作，參與植物多種非生物壓力（乾旱、鹽、寒冷）的反應。因此，這個基因家族對於植物的抗旱也有它的重要角色。

過去的研究已知，CIPK6家族成員透過調控氣孔開閉來影響棉花的水分損失和乾旱耐受性；它們參與調控保衛細胞中K⁺離子的流向，從而影響氣孔的開閉狀態。因此，研究CIPK6基因家族的功能分化，可為理解和改良棉花的抗旱性提供重要的分子基礎，並增進對培育抗旱作物的相關知識。

研究團隊發現，如高地棉這種異源四倍體的棉花，是在1.5-2百萬年前由類似亞洲棉（中棉，簡稱At亞基因組）與雷蒙德氏棉（G. raimondii，簡稱Dt亞基因組）雜交後染色體加倍而產生。這使得高地棉具有「八」個CIPK6基因。

分析之後，研究團隊發現最初出現的是GhCIPK6A1/D1，隨後它們發生複製，形成GhCIPK6A4/D4，再後來形成GhCIPK6A2/D2和GhCIPK6A3/D3。而這八個CIPK6基因中，GhCIPK6A1, GhCIPK6A2, GhCIPK6A3, GhCIPK6A4來自At亞基因組， GhCIPK6D1, GhCIPK6D2, GhCIPK6D3, GhCIPK6D4來自Dt亞基因組。

有趣的是，這八個基因在抗旱中的角色，歷經百萬年，已經出現了一些差異。GhCIPK6D3在正常條件下表現量就已經相對較高，而GhCIPK6D1在正常條件下的表現量非常低。當面對乾旱壓力時，GhCIPK6D1和GhCIPK6D3的表現顯著上昇，其中尤其是GhCIPK6D1上升的幅度非常戲劇化。而GhCIPK6A1在乾旱狀態時表現量上升，但是GhCIPK6A2在乾旱時的表現量反而下降。

過去有許多研究也發現，在異源多倍體中，有些基因的表現會與它們的親代植物中的同源基因不同；在棉花也看到類似的模式出現。例如GhCIPK6A4和GhCIPK6A3，在亞洲棉（G. arboreum）中，乾旱會使它們的表現量下降，但是到了高地棉，乾旱對它們的表現量沒有影響。而乾旱會使雷蒙德氏棉中的GhCIPK6D4的表現量上升，但是到了高地棉，乾旱反而使它的表現量下降。

透過研究CIPK6基因家族，我們了解了它們在棉花的雜交與基因體加倍中，這些基因如何演化出不同的功能。這讓我們更了解棉花的抗旱機制，也為未來培育出抗旱棉花奠定了重要的基礎。

參考文獻：

Sun, W., Xia, L., Deng, J. et al. Evolution and subfunctionalization of CIPK6 homologous genes in regulating cotton drought resistance. Nat Commun 15, 5733 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50097-3