Plasmodesmata are transmembrane channels embedded within the cell wall that can facilitate the intercellular communication in plants. Plasmodesmata callose-binding (PDCB) protein that associates with the plasmodesmata contributes to cell wall extension. Given that the elongation of cotton fiber cells correlates with the dynamics of the cell wall, this protein can be related to the cotton fiber elongation. This study sought to identify PDCB family members within the Gossypium. hirsutum genome and to elucidate their expression profiles. A total of 45 distinct family members were observed through the identification and screening processes. The analysis of their physicochemical properties revealed the similarity in the amino acid composition and molecular weight across most members. The phylogenetic analysis facilitated the construction of an evolutionary tree, categorizing these members into five groups mainly distributed on 20 chromosomes. The fine mapping results facilitated a tissue-specific examination of group V, revealing that the expression level of GhPDCB9 peaked five days after flowering. The VIGS experiments resulted in a marked decrease in the gene expression level and a significant reduction in the mature fiber length, averaging a shortening of 1.43–4.77 mm. The results indicated that GhPDCB9 played a pivotal role in the cotton fiber development and served as a candidate for enhancing cotton yield.

Cotton fiber strength is a critical property determining fiber qualities, and determined by the secondary cell wall development. Understanding the mechanism of fiber development will provide a way to improvement of fiber strength. In this study, the introgression lines of upland and sea island cotton, and have experience of four generations of backcross with upland parent, and have significant higher fiber strength than their upland parent, and the transcriptome were analyzed and compared between the introgression lines and their upland parent. There were 2201 differentially expressed genes (DEG) identified by comparing two introgression lines with their recurrent parent CCRI45, in different development stages from 15 days post-anthesis (DPA) to 28 DPA. The up-regulated genes regulated the polysaccharide metabolic process, single-organism localization, cell wall organization or biogenesis and so on. The down-regulated genes involved in the microtubule-based process, cellular response to stress, cell cycle process and so on. Further functional analysis revealed three significant functional genes, XLOC_036333 (mannosyl-oligosaccharide-alpha-mannosidase mns1), XLOC_029945 (FLA8) and XLOC_075372 (snakin-1), playing important roles in the regulation of cotton fiber strength. Our results provide important candidates genes and inspirations for the future investigation of the molecular mechanism of fiber quality formation, and improvement of cotton fiber quality in breeding.

Cotton Verticillium wilt (VW) is a devastating disease seriously affecting fiber yield and quality, and the most effective and economical prevention measure at present is selection and extension of Gossypium varieties harboring high resistant VW. However, multiple attempts to improve the VW resistance of the most widely cultivated Upland cotton have brought in little significant progress, and it seems necessary and urgent to develop Chromosome segment substitution lines (CSSLs) for merging the superior genes related with high yield and wide adaptation from G. hirsutum and VW resistance and excellent fiber quality from G. barbadense . In this study, 300 CSSLs were chosen from the developed BC5F3:5 CSSLs constructed by G. hirsutum CCRI36 and G. barbadense Hai1 to conduct quantitative trait locus (QTL) mapping on VW resistance, and a total of 53 QTLs relevant to VW disease index (DI) were identified together with the phenotypic data of 2 years investigations in two fields with two replications per year. All the QTLs were distributed on 20 chromosomes with phenotypic variation of 3.74-11.89%, of which 29 stable ones were consistent in at least two environments. Based on Meta-analysis on the 53 QTLs, 43 novel ones were identified, while 10 ones consistent to previously identified QTLs. Meanwhile, 32 QTL hotspot regions were detected, including 15 ones were novel. This study concentrates on QTL identification and screening hotspot region related with VW in the 300 CSSLs, which lay a solid platform not only for revealing the genetic and molecular mechanisms of VW resistance, but also for further fine mapping, gene cloning and molecular designing in breeding program for resistant cotton varieties.

Oxidative Stress 3 (OXS3) encodes a plant-specific protein that makes great contributions to a plant’s stress tolerance. However, reports on genome-wide identification and expression pattern analyses of OXS3 were only found for Arabidopsis, wheat, and rice. The genus Gossypium (cotton) serves as an ideal model for studying allopolyploidy. Therefore, two diploid species (G. raimondii and G. arboreum) and two tetraploid species (G. hirsutum and G. barbadense) were chosen in this study for a bioinformatics analysis, resulting in 12, 12, 22, and 23 OXS3 members, respectively. A phylogenetic tree was constructed using 69 cotton OXS3 genes alongside 8 Arabidopsis, 10 rice, and 9 wheat genes, which were classified into three groups (Group 1–3). A consistent evolutionary relationship with the phylogenetic tree was observed in our structural analysis of the cotton OXS3 genes and the clustering of six conserved motifs. Gene duplication analysis across the four representative Gossypium species suggested that whole-genome duplication, segmental duplication, and tandem duplication might play significant roles in the expansion of the OXS3 gene family. Some existing elements responsive to salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), and abscisic acid (ABA) were identified by cis-regulatory element analysis in the promoter regions, which could influence the expression levels of cotton OXS3 genes. Furthermore, the expression patterns of the GhOXS3 gene were examined in different tissues or organs, as well as in developing ovules and fibers, with the highest expression observed in ovules. GhOXS3 genes exhibited a more pronounced regulatory response to abiotic stresses, of which ten GhOXS3 genes showed similar expression patterns under cold, heat, salt, and drought treatments. These observations were verified by quantitative real-time PCR experiments. These findings enhance our understanding of the evolutionary relationships and expression patterns of the OXS3 gene family and provide valuable insights for the identification of vital candidate genes for trait improvement in cotton breeding.

Epidermal patterning factor / -like (EPF/EPFL) gene family encodes a class of cysteine-rich secretory peptides, which are widelyfound in terrestrial plants.Multiple studies has indicated that EPF/EPFLs might play significant roles in coordinating plant development and growth, especially as the morphogenesis processes of stoma, awn, stamen, and fruit skin. However, few research on EPF/EPFL gene family was reported in Gossypium.

Salinity stress impairs cotton growth and fiber quality. Protoplasts enable elucidation of early salt-responsive signaling. Elucidating crop tolerance mechanisms that ameliorate these diverse salinity-induced stresses is key for improving agricultural productivity under saline conditions. Herein, we performed transcriptome profiling of Gossypium arboreum root tips and root tips-derived protoplasts to uncover salt tolerance genes and mechanisms. Differentially expressed genes (DEGs) were significantly enriched in the plant hormone signal transduction and MAPK signaling pathways. Transcriptome based weighted gene coexpression network analysis (WGCNA) clustered 885 commonly differentially expressed genes into four distinct modules. Black and yellow modules were highly upregulated under salt treatment, containing hub genes integral to signaling and transport, highlighting their importance. Differential expression analysis revealed more dynamic changes in protoplasts, identifying key genes including the Ga-α-expansin 4 (GaEXPA4). Silencing of the GaEXPA4 gene through virus-induced gene silencing heightened cotton's sensitivity to salt stress, leading to increased wilting, elevated lipid peroxidation, and impaired antioxidant activity under salt conditions compared to controls. These findings underscore the functional significance of GaEXPA4 in the salt stress response. Future research should focus on elucidating the precise mechanisms of putative salt tolerance genes like GaEXPA4 and evaluating the potential of signaling pathways, such as MAPK, for engineering enhanced salt resilience in cotton. Integrating multi-omics approaches could further expand the genetic resources available for improving cotton cultivation in saline environments.