鞘脂及GhKDSRs基因在棉花纖維伸長中的功能和調控機制

《鞘脂及GhKDSRs基因在棉花纖維伸長中的功能和調控機制》是依託西南大學，由羅明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鞘脂及GhKDSRs基因在棉花纖維伸長中的功能和調控機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：羅明
• 依託單位：西南大學

項目摘要

鞘脂是生物膜重要的組成成分，對膜的流動性、通透性和膜結合蛋白功能具有調控作用。纖維細胞是一個極度伸長的單細胞，纖維伸長過程中伴隨著細胞膜面積的急劇擴張和一系列代謝活動的增強，鞘脂在纖維伸長中可能具有重要作用。課題組前期研究發現，抑制纖維中鞘脂合成能夠顯著抑制纖維伸長，進而篩選到纖維中特異表達的鞘脂合成酶基因GhKDSR1，該基因在超短纖維突變體的纖維伸長階段表達量明顯降低，表明該基因和鞘脂與纖維伸長關係密切。本項目擬通過棉花遺傳轉化和檢測纖維發育過程中鞘脂成分及含量的動態變化，分析轉基因纖維伸長期基因表達譜變化和GhKDSR1啟動子表達特性，明確纖維伸長中基因表達調控-GhKDSR1-鞘脂合成-纖維發育-回響基因及代謝途徑的對應關係，闡明鞘脂及GhKDSR1在纖維伸長中的功能和調控機制。為深入解析纖維發育調控機制提供新的數據，為纖維改良基因工程提供纖維特異啟動子和目標基因。

結題摘要

棉花是重要的天然纖維作物，在我國國民經濟中占有重要地位。我國棉花纖維的品質偏低、類型單一，嚴重阻礙了我國棉花產業的發展。棉花纖維是胚珠外珠被表皮細胞經極性伸長和次生壁加厚而形成的單細胞纖維，極性伸長和次生壁加厚過程是纖維產量和品質的形成過程，但其發育的調控機理還知之甚少。本研究分析了細胞膜的重要組成成分——鞘脂在纖維發育過程中的動態變化以及抑制纖維中鞘脂合成對纖維發育的影響；通過克隆棉花纖維中特異或優勢表達的鞘脂合成酶基因GhKDSR1-1和GhKDSR2-1以及GhGCS1，構建植物表達載體和棉花遺傳轉化，獲得超量表達和抑制目標基因的轉基因棉花，分析了轉基因纖維的性狀變異和纖維細胞中鞘脂組分和含量的變化，以及基因表達譜的變化；進一步檢測了轉基因纖維中植物固醇合成酶基因的表達變化和調控植物固醇關鍵合成酶基因的轉基因纖維中鞘脂相關基因的表達變化。通過這些研究證明含有VLCFA的複雜鞘脂分子在纖維伸長期高量積累，在次生壁合成期降低，抑制鞘脂的合成嚴重抑制纖維細胞伸長。超量表達GhKDSR1-1使纖維長度增加15.12%，相反，抑制該基因表達導致纖維長度減少21.12%；超量表達GhGCS1可是纖維長度增加達26.01%，相反，抑制GhGCS1表達導致纖維長度降低10.47%。超量表達GhGCS1基因促進纖維細胞鞘脂合成，兩種鞘脂終產物GIPC和GCS的含量顯著增加，上游產物顯著減少。在超量表達GhGCS1的纖維細胞中植物固醇和油菜素內酯合成代謝關鍵基因顯著升高，相反，在抑制GhGCS1基因的纖維中植物固醇、油菜素內酯合成代謝及信號傳導關鍵基因的表達顯著降低。同樣，在植物固醇變化的轉基因纖維細胞中鞘脂合成酶基因的表達也發生顯著變化。這些研究結果揭示了鞘脂在纖維伸長中具有重要作用，其作用機制是通過影響植物固醇的合成以及油菜素內酯的合成代謝和信號而調控纖維細胞發育。本研究結果不僅揭示了纖維發育過程中鞘脂-植物固醇-細胞膜-植物激素之間的內在關係，而且為改良棉花纖維產量品質提供了優良目標基因和轉基因材料。