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Gh4CL20/20A involved in flavonoid biosynthesis is essential for male fertility in cotton (Gossypium hirsutum L.)

生物 类黄酮生物合成 绒毡层 花瓣 雄蕊 不育 突变体 花粉 苯丙素 查尔酮异构酶 小孢子 遗传学 基因 植物 转录组 生物合成 查尔酮合酶 基因表达
作者
Jiandong Gong,Jie Sun,Qian‐Hao Zhu,Jianghong Qin,Yonglin Yang,Zheng Zhou,Shuaishuai Cheng,Jie Sun
出处
期刊:Plant Physiology and Biochemistry [Elsevier]
卷期号:208: 108484-108484
标识
DOI:10.1016/j.plaphy.2024.108484
摘要

Flavonoids have been shown to play an essential role in plant growth and fertility. 4-Coumarate CoA ligase (4CL) is one of the indispensable enzymes involved in the biosynthesis of flavonoids. However, the role of 4CL and flavonoids in impact on cotton fertility is still unknown. In this study, on the basis of identification of an additional Gh4CL gene, Gh4CL20A, by using a updated G. hirsutum genome, we found that Gh4CL20A and its homologous Gh4CL20 were preferentially expressed in petals and stamens. The petals of the loss-of-function Gh4CL20/Gh4CL20A mutant generated by CRISPR/Cas9 gene editing remained white until wilting. Notably, the mutant showed indehiscent anthers, reduced number of pollen grains and pollen viability, leading to male sterility. Histological analysis revealed that abnormal degradation of anther tapetum at the tetrad stage and abnormal pollen grain development at the mature stage caused male sterility of the gene editing mutant. Analysis of the anther transcriptome identified a total of 10574 and 11962 genes up- and down-regulated in the mutant, respectively, compared to the wild-type. GO, KEGG, and WGCNA analyses linked the abnormality of the mutant anthers to the defective flavonoid biosynthetic pathway, leading to decreased activity of 4CL and chalcone isomerase (CHI) and reduced accumulation of flavonoids in the mutant. These results imply a role of Gh4CL20/Gh4CL20A in assuring proper development of cotton anthers by regulating flavonoid metabolism. This study elucidates a molecular mechanism underlying cotton anther development and provides candidate genes for creating cotton male sterile germplasm that has the potential to be used in production of hybrid seeds.
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