Functional Investigation of a Cotton Fiber HOX Gene

Most of the plant homeodomain-containing proteins play important roles in regulating cell differentiation and organ development,and Arabidopsis GLABRA2 (GL2),a member of the class IV homeodomain-Leucine zipper (HD-ZIP) proteins,is a trichome and non-root hair cell regulator.We have analyzed several cotton homeodomain-containing proteins that belong to the class IV HD-ZIP family.One of them,GaHOX1,shows a high sequence identity to Arabidopsis GL2 (95% in the homeodomain and 64% overall).     

一个新的棉花MYB类基因(GhTF1)的克隆及染色体定位分析

MYB类转录因子是指含有MYB结构域的一类转录因子, 广泛参与植物发育和代谢调节。含2个MYB结构域的R2R3类MYB转录因子在植物体内主要参与次生代谢的调节和控制细胞的形态发生。从优质材料7235不同发育时期的棉纤维混合cDNA文库中克隆了一个棉花MYB转录因子基因GhTF1(GenBank登录号: EF651783)。该cDNA序列长1 115 bp, 其开放读码框长度为771 bp, 编码256个氨基酸。表达特征分析表明, 该基因在陆地棉7235不同组织中均表达, 但表达量不同, 特别在开花前1 d, 开花后8 d和11 d的纤维细胞中优势表达。该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中开放读码框区的序列较保守, 但在非编码区差异较大, 在内含子区存在大片段插失和碱基替换现象。Southern杂交结果表明该基因在陆地棉基因组中存在2个拷贝, 推测A、D亚组中各有1个拷贝。利用海7124和TM-1两亲本配置的BC₁作图群体, 将GhTF1定位在染色体10上。     

棉纤维发育相关转录因子的研究进展

 转录因子在棉纤维细胞分化发育过程中起重要的调节作用。近年来已经有多个与棉纤维发育相关的转录因子被研究报道,主要包括MYB、HD-ZIP、MADS、TCP等家族成员,其中研究最为广泛的为MYB类转录因子。GL1类的MYB转录因子和MIXTA类的MYB转录因子通过不同的调控方式参与对棉纤维细胞发育的调控。对这些转录因子的深入研究,对于揭示棉纤维细胞分化发育的分子机理具有重要的意义。本文就这方面的研究进展作一简要概述。     

棉花4个GL2同源基因的序列比较及表达分析

拟南芥GLABRA2(AtGL2)在决定拟南芥叶毛和根毛细胞的分化中起重要作用。通过同源序列查询从棉花的EST库中找到4个与AtGL2高度同源的全长编码序列(GhHOX1、GhHOX2、GhHOX3和GhHOX4)。序列分析表明4个棉花HOX基因与AtGL2基因Homeobox结构域相同氨基酸分别达到95%、71%、72%和63%。实时RT-PCR分析结果显示, GhHOX1、GhHOX3和GhHOX4均在伸长期的纤维中优势表达; 而GhHOX3在开花当天野生型胚珠中的表达量明显高于无绒无絮突变体。说明棉花GL2同源基因在棉花纤维的起始和伸长中具有重要的调控作用。     

棉花纤维发育的分子机理及品质改良研究进展

 棉花纤维细胞的分化与发育是一个复杂有序的过程,在不同的发育时期均有大量的基因表达,参与纤维细胞发育的调控。转录因子和植物激素在棉纤维细胞分化起始过程中起重要的作用。纤维细胞壁结构、细胞骨架和糖类、脂类代谢相关的基因以及激素信号分子与纤维细胞的伸长密切相关。棉纤维次生壁合成时期主要是纤维素的合成及沉积过程,蔗糖合成酶和纤维素合成酶等基因在这一时期起关键的调节作用。在棉纤维发育分子生物学研究的基础上,利用基因工程改良棉花纤维品质也取得了一些研究进展。     

棉花4个GL2同源基因的序列比较及表达分析

拟南芥GLABRA2(AtGL2)在决定拟南芥叶毛和根毛细胞的分化中起重要作用。通过同源序列查询从棉花的EST库中找到4个与AtGL2高度同源的全长编码序列(GhHOX1、GhHOX2、GhHOX3和GhHOX4)。序列分析表明4个棉花HOX基因与AtGL2基因Homeobox结构域相同氨基酸分别达到95%、71%、72%和63%。实时RT-PCR分析结果显示, GhHOX1、GhHOX3和GhHOX4均在伸长期的纤维中优势表达; 而GhHOX3在开花当天野生型胚珠中的表达量明显高于无绒无絮突变体。说明棉花GL2同源基因在棉花纤维的起始和伸长中具有重要的调控作用。     

棉花不同茸毛性状近等基因系的选育与生理生化特性研究

为了培育具有抗病虫优良性状的棉花新品种,并对棉花多茸毛基因进行定位克隆,从棉花三元杂种后代中选育了绿叶无茸毛和绿叶多茸毛近等基因系。以该近等基因系为供试材料,测定了具有不同茸毛性状的棉株间光合速率、叶绿素含量、苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性以及单宁含量的变化,通过光合生理与相关生化指标测定相结合,初步探讨棉花不同茸毛性状近等基因系材料间生理生化特性的差异,为今后选育具有优良性状的棉花新品种提供依据。结果表明,无茸毛与多茸毛棉花近等基因系的叶绿素a、b及总量的动态变化趋势基本一致,蕾期较高,花期、铃期降低;净光合速率变化趋势一致,二者均呈先上升后下降再上升的趋势,在铃期达到了顶峰。因此,光合速率与叶绿素含量变化趋势在近等基因系材料间差异不明显。无茸毛和多茸毛棉花纤维和种皮单宁含量变化具有相同的趋势,均为先升高再降低,纤维中的PAL活性多茸毛棉株逐渐下降,无茸毛棉株下降后再升高,而种皮中PAL活性上升至最高值后保值不变。PAL活性与单宁含量在材料间差异较大,绿叶多茸毛棉株高于绿叶无茸毛棉株。表明PAL活性和单宁含量与茸毛性状存在一定的相关关系。     

一个棉花纤维伸长期优势表达启动子pGhFLA1的克隆与鉴定

棉花纤维是研究单细胞生长发育的良好模式细胞,寻找在棉花纤维发育时期优势表达的启动子,对于棉花纤维发育的功能基因组研究非常重要。本试验对发掘到的一个在纤维伸长期优势表达基因GhFLA1的启动子进行克隆,并将该启动子融合GUS转化棉花和烟草。转基因棉花的GUS蛋白染色表明,在0~20 DPA(days post anthesis)的纤维中检测到GUS蛋白,同时在柱头、雄蕊、萼片、胚根、子叶和根中也检测到GUS蛋白,但在花瓣、叶片和苞叶中没有检测到。同时GUS定量检测结果显示,pGhFLA1驱动GUS蛋白积累的高峰是在20 DPA的纤维中,其驱动GUS表达的能力是Ca MV 35S::GUS的22倍。转基因烟草组织化学染色显示pGhFLA1可以驱动GUS在叶片及叶片的表皮毛中优势表达,同时在子房、柱头、花药、苞叶、花柄基部、花瓣、种子等生殖器官上也存在GUS蛋白。启动子pGhFLA1在棉花纤维和烟草叶片的表皮毛中优势表达,可用于棉花纤维功能基因组研究,在改良纤维品质育种中具有潜在的应用价值。     

干旱区UV-B辐射增强对棉花生理、品质和产量的影响

通过人工增加对棉花UV-B辐射,研究在大田栽培和自然光照条件下人工模拟紫外辐射(UV-B,280-320nm)增加对棉花生理、品质和产量的影响。实验设置4个处理,每个处理的辐射剂量分别为0W·m-2(R0)、0.5W·m-2(R1)、1W·m-2(R2)、1.5W·m-2(R3)。测定棉花不同处理时期的叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、脯氨酸(Pro)含量以及棉花的品质和产量。结果表明,随着UV-B辐射增强,棉花叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量以及可溶性蛋白质含量呈现先升后降的趋势,Pro相对含量增加,棉花产量和品质均明显降低。因此,UV-B辐射增强对棉花造成了一定程度的伤害。当辐射剂量超过棉花植株体内一定的阈值之后,伤害程度就越大,最终导致棉花产量下降,品质降低。     

棉花GhMYB0基因的克隆、表达分析及功能鉴定

MYB类转录因子是植物转录因子最大的家族之一, 参与控制植物腺毛细胞的模式和形态建成。本研究利用雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii) D₅基因组数据库以AtMYB0 (GL1, NM_113708)蛋白为参比序列获得同源基因GrMYB0, 从徐州142中克隆了陆地棉的GhMYB0, 其开放阅读框长度为843 bp, 编码280个氨基酸。经过保守结构域分析和亚细胞定位确定GhMYB0为R2R3-MYB转录因子。qRT-PCR的结果表明, GhMYB0在徐州142开花当天开始高调表达, 开花后20 d表达量达高峰; 在所有的组织器官中, 花中表达量最高, 其次为胚珠。转基因功能分析结果表明, 在野生型拟南芥(Columbia)中过表达GhMYB0, 使其叶片表皮毛与野生型相比明显减少; 该基因在拟南芥突变体gl-1中过表达, 能恢复表皮毛缺失型突变体的表型, 说明该基因可能对拟南芥表皮毛的形态建成发挥一定作用, 本试验为研究R2R3-MYB转录因子在棉纤维起始和伸长过程中的调控作用提供有力证据。     

Primary Studies on Cotton Telomere

The Arabidopsis -type telomere sequence was amplified and cloned using the primers designed from the fragment which contained the telomere sequence in an Arabidopsis BAC.In situ hybridizations with cotton metaphase chromosomes,using the telomere as probe,it indicated that the signals were located at all chromosome ends of 7 diploid and 2 tetraploid cotton species.To identify the signals of FISH,the genome DNA of Xinhai 7,digested by Bal31 kinetics,was used in this study.     

棉花GhRDL1基因启动子分析

通过PCR法扩增出陆地棉GhRDL1基因ATG上游1.2 kb的片段,将该片段融合GUS报告基因进行棉花、拟南芥及烟草转化。分析显示,GhRDL1基因启动子是一个棉纤维或表皮毛特异的启动子,能够驱动靶基因在单细胞的表皮毛(如棉纤维和拟南芥表皮毛)表达;在烟草表皮毛中,GUS基因在多细胞的腺毛(包括顶端的腺体细胞和柄细胞)和非腺毛中皆有表达。表明GhRDL1基因启动子是一个多功能的表皮毛特异启动子,可以用于棉花基因工程改良和植物次生代谢工程的研究。     

Cloning and Functional Analysis of Low Temperature Response Gene,GhZAT10, in Upland Cotton at Seedling Stage

[Objective] The aim of this study is to identify chilling tolerant genes which can provide a basis for breeding upland cotton cultivars with tolerance to chilling. [Method] The GhZAT10 (Zinc finger of Arabidopsis thaliana 10) gene was cloned, and its expression in roots, stems, and leaves was analyzed with cold treatment by quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). Then we analyzed the structural characteristics of GhZAT10, protein properties and constructed the phylogenetic tree by bioinformatics methods. Next, we constructed subcellular localization vector 35S::GhZAT10-GFP by Gateway technology. Finally, we studied the effect of GhZAT10 in chilling response by virus induced gene silencing of cotton. [Result] The Open reading frame(ORF) length of GhZAT10 gene is 813 bp (base pair), encoding 270 amino acid residues. The expression of GhZAT10 in roots was higher than that in stems and leaves, and up-regulated after chilling stress in these tissues. GhZAT10 does not possess signal peptides or transmembrane helices; its activity is closely related to the phosphorylation regulation. GhZAT10 has homology with the ZAT10 of Theobroma cacao, Arabidopsis thaliana and Citrus sinensis. GhZAT10 protein is located in the nucleus. The GhZAT10-silenced cotton plants were more sensitive to low temperature than wild type. [Conclusion] GhZAT10 belongs to C₂H₂ zinc finger protein, and plays a positive role to response the chilling stress in upland cotton.     

去早果枝对转基因抗虫棉生长发育与衰老进程的调控效应

 以转基因抗虫棉品种为材料,设置了2个播期和4种去早果枝方式（去基部1个、2个、3个果枝及不去果枝的对照）处理,研究去除早期果枝对棉花生长发育及衰老进程的影响。2年结果表明,去早果枝推迟了棉花的生育进程;去掉1个早果枝处理总果枝数与对照无差异,但去掉2个、3个果枝后明显低于对照,总果节数差异不显著;去早果枝显著提高了第1播期棉花叶面积指数和干物质积累量,去1个、2个和3个果枝处理的干物质积累量在2年中平均比对照高13.5%,17.5%,19.0%,但在第2播期差异不明显;去早果枝降低了第1播期棉花脱落率和烂铃率并提高了棉花的子棉产量,脱落率在2年中平均比对照降低4.5,5.8和9.0百分点,烂铃率平均降低2.2,4.5,4.8百分点;去1个和2个果枝处理的子棉产量在2年的第1播期中比对照平均高9.6%和8.1%,但在第2播期增产不明显,甚至减产。     

棉花GhTCP2基因启动子分离及其在幼嫩组织的表达分析

 采用Genome walking的方法分离了GhTCP2基因的启动子区,应用在线分析软件PLACE对该启动子序列进行分析,发现含有多个与细胞周期、细胞分裂素、生长素相关的顺式作用元件。构建了GhTCP2基因启动子驱动报告基因GUS的植物表达载体并转化了模式植物拟南芥。转基因拟南芥的组织化学染色显示,GUS基因主要在根尖、幼叶、顶芽、侧芽和花蕾中表达。这说明棉花GhTCP2基因启动子可以驱动目的基因在植物的幼嫩组织表达,该启动子有望在植物抗虫基因工程中应用。     

基于机器视觉的棉花群体叶绿素监测

研究了利用机器视觉技术快速获取棉花群体叶绿素信息的方法，以期获得预测性高的颜色特征参数。结果表明，RGB颜色系统的G－R、(G－R)/(G+R)、r与g的组合值和棉花功能叶叶绿素含量、群体绿色指数呈极显著相关，而且拟合度较高；HIS颜色系统的Hue值和棉花功能叶叶绿素含量、群体绿色指数之间也极显著相关。对筛选出的两组模型进行检验，预测精度在84.07%~93.04%之间，推荐预测精度最高的G－R参数作为获取棉花群体叶绿素信息的最佳颜色指标。G－R预测叶绿素含量和群体绿色指数的模型分别为y=－1.3008+0.2125(G－R)－0.0038(G－R)2（R²=0.8669**）和y=－0.9726+0.1227 (G－R)－0.0016(G－R)²（R²=0.7487**）。     

Isolation and Characterization of GhLEA3 Gene from Upland Cotton and Its Expression in Response to Low Temperature Stress

[Objective] Based on the analysis of cotton GhLEA3 gene structure and its expression model in chilling stress, we investigated the resistance function of GhLEA3 in response to cold stress. [Method] We cloned GhLEA3 from upland cotton by homologous sequence cloning way. We analyzed the properties of the GhLEA3, and constructed phylogenetic tree by bioinformatics analysis. We constructed the transient expression vector 35S∷GhLEA3-GFP by In-Fusion connection technology and studied the subcellular localization of GhLEA3. The expression of GhLEA3 gene in leaves of TM-1 at three-leaf stage under low temperature stress treatments (4 ℃, 24 h) was performed. Agrobacterium tumefaciens mediated floral dipping method was used to transform the gene with expression vector 35S∷GhLEA3-GFP into Arabidopsis thaliana wild type. Low temperature germination experiment at 4 ℃ was conducted to verify germination ability of the transgenic Arabidopsis thaliana T₃ seed. The transgenic Arabidopsis seedlings were treated at 4 ℃(low temperature), and all the leaves were taken to measure their electrical conductivity. [Result] The coding sequence of GhLEA3 gene is 1 218 bp, which encodes 405 amino acids. GhLEA3 protein includes 4 functional domains of PF02987. Phylogenetic analysis showed that the similarity of amino acid sequences between upland cotton GhLEA3 and Arabidopsis thaliana AtLEA3 was 52.6%. GhLEA3 might be mainly localized in vacuoles and small vesicles. GhLEA3 was up-regulated in leaves after low temperature treatment. The germination rate of transgenic Arabidopsis thaliana of T₃ generation at low temperature was significantly higher than that of wild type, and its electrical conductivity of leaves after low temperature treatment was significantly lower than that of wild type. [Conclusion] GhLEA3 belonged to the member of LEA3 family. Phylogenetic analysis showed that GhLEA3 had the closest relationship with AtLEA3. GhLEA3 was induced by low temperature stress and may play an important role in improving cold resistance.