棉花纤维发育相关基因时空表达特性的差异比较

棉花纤维发育过程包括起始、伸长、次生壁加厚和脱水成熟等阶段,是一个较为复杂的网络基因调控过程。为分析相关基因在不同棉种(属)纤维发育过程中时空表达特性,本研究以陆地棉、海岛棉和亚洲棉为研究对象,选取已确定与棉纤维发育相关的特异基因(GhACT1,GhCAD1,GhCCR1,GhExp1,GhExp2,GhCIPK1和GhPL),利用实时荧光定量PCR技术,系统分析这些基因在棉纤维发育过程的授粉当天(0 day post anthesis,0 DPA)、5天(5 DPA)、10天(10 DPA)、15天(15 DPA)、20天(20 DPA)、25天(25 DPA)的表达趋势变化。研究结果表明,所选特异基因在棉花纤维发育过程都有较高表达水平,但由于遗传背景不同,这些基因在不同棉种(属)纤维发育过程中表达趋势呈一定差异。通过对比分析GhExp1和GhExp2的基因表达趋势,本研究推测GhExp1对棉花纤维伸长的作用效果较为显著。此外,考虑到陆地棉、海岛棉和亚洲棉在纤维长度等方面的差异性,本研究推测GhACT1和GhExp1表达趋势变化对调控棉花纤维伸长有着重要作用。本研究结果可为深入分析棉花纤维发育相关基因与棉花纤维伸长的相关性提供参考。     

海南岛陆地棉纤维的超长现象

棉纤维是由胚珠表皮细胞分化、发育而形成的单细胞纤维 ,这是棉花的主要产品。棉纤维的长度、强度等品质性状和每粒种子着生纤维的重量等产量性状都是在纤维发育过程中形成的。因此 ,人们对棉纤维发育的研究一直都很重视 ,目前国内外对其研究更是方兴未艾 ,但至今仍只是略有所知 ,而且知之不多。1　纤维超长现象陆地棉纤维长度范围大体在 2 1～ 33mm之间 ,一般生产上陆地棉纤维长度多在 2 5～ 2 9mm之间。 2 0 0 1年春 ,在海南岛三来市崖城镇的中国农科院棉花研究所棉花冬季南育基地 ,发现许多陆地棉品种 (系、材料 )存在着一粒棉子上有部分…     

棉花阿拉伯半乳糖蛋白基因的克隆、表达与染色体定位分析

陆地棉李氏超短纤维突变体(Li1li1)是显性单基因突变体,表现为茎秆、叶片卷曲,纤维短至6mm,其隐性纯合体(li1li1)则表现为株型和纤维发育都正常。对开花后10d的李氏纤维发育正常材料(li1li1)和超短纤维突变体(Li1li1)胚珠纤维混合体进行mRNA差异显示反转录PCR(DDRT-PCR)分析,获得1条在李氏纤维发育正常材料中上调表达的差异片段。进一步通过5'RACE技术获得全长为621bp的cDNA,测序及DNA序列的生物信息学分析表明该cDNA片段与拟南芥编码阿拉伯半乳糖蛋白基因AGP14有52%相似性,故命名为GhAGP。表达特征分析表明,该基因在陆地棉根、茎、叶和纤维中组成性表达,在棉纤维中优势表达。基因组序列分析显示,该基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中各有1个拷贝,在四倍体棉种陆地棉TM-1和海岛棉海7124中分别存在2个拷贝,表明A、D亚组中各有1个拷贝。利用本实验室陆地棉遗传标准系TM-1和海岛棉海7124培育的含140个单株的BC1作图群体,将GhAGP基因的2个拷贝分别定位在四倍体棉花部分同源转化群染色体6和染色体25上。     

棉花WOX转录因子家族基因的全基因组鉴定与分析

为了挖掘可用于棉花花器官或纤维发育研究的候选基因,基于已发布的陆地棉全基因组数据,利用生物信息学的分析方法鉴定了陆地棉WOX(WUSCHEL-related homeobox,WOX)转录因子基因家族,并从染色体分布、基因及蛋白理化性质、蛋白结构、多重序列比对、系统进化树和基因表达模式等方面对该基因家族的特征进行了比较分析。结果表明,鉴定到37个陆地棉WOX转录因子家族基因,命名为GhWOX1~GhWOX37。亚基因组定位结果显示,37个陆地棉WOX转录因子家族基因分布在除了A04、A06、A09、D04、D06和D09号亚基因组以外的20个亚基因组,A亚组比D亚组多1个GhWOX转录因子家族基因。多重序列比对分析棉花WOX转录因子家族成员均具有高度保守的同源异型结构域;系统进化树分析发现棉花WOX转录因子家族可以分为3个亚家族(Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类),各亚类分别含有23,7,7个GhWOX转录因子家族基因成员。对NCBI中陆地棉的EST数据库比对分析,有11个GhWOX转录因子家族成员没有可匹配的EST序列,其他26个GhWOX转录因子家族成员在棉花的根、茎、叶、花、胚珠、纤维和种子等组织和器官中广泛表达。为深入研究棉花和其他植物中WOX家族的鉴定和功能研究奠定了基础。     

陆地棉纤维发育相关基因GhEXPs的分析及表达研究

【目的】扩展蛋白是1种细胞壁蛋白,能够松弛细胞壁从而促进细胞伸长。本研究旨在挖掘棉花纤维发育过程中特异的扩展蛋白基因。【方法】利用转录组测序和定量PCR(Polymerase chain reaction)研究棉花扩展蛋白基因的表达模式,并运用生物信息学的方法分析扩展蛋白进化关系、预测三维结构和关键氨基酸位点。【结果】以陆地棉cDNA(Complementary DNA,互补DNA)为模板,克隆得到4个棉花扩展蛋白基因GhEXPA1d、GhEXPA4b、GhEXPA23b和Gh EXPB3a,开放阅读框长度分别为768 bp、795 bp、798 bp和804 bp。进化树分析表明,GhEXPA1d、GhEXPA4b、GhEXPA23b属于EXPA (α-expansin)亚家族,GhEXPB3a属于EXPB(β-expansin)亚家族。组织特异性表达分析表明它们是纤维发育特异基因;定量PCR验证了这4个Gh EXPs都是在纤维发育的起始期和伸长期表达量较高。根据序列比对以及三维结构模型预测了4个棉花扩展蛋白的关键氨基酸位点,分别是苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸,均为芳香族氨基酸,在三维结构模型中处于同一个平面上。【结论】获得的4个棉花扩展蛋白基因在棉花纤维发育起始期和伸长期特异表达,为进一步阐明GhEXPs对棉花纤维发育的分子机制提供了参考。     

两个棉纤维发育相关基因的克隆与特征分析

棉纤维发育突变体是克隆棉纤维发育关键基因和阐明其发育分子机理的优异资源。陆地棉李氏超短纤维突变体(Li₁li₁)是显性单基因突变体,表现为显性纯合体(Li₁Li₁)致死,显性杂合时(Li₁li₁)表型为茎秆扭曲、叶片卷曲和纤维短至6 mm,而隐性纯合体(li₁li₁)则表现为株型和纤维发育都正常。本文对开花后10 d的李氏纤维发育正常材料(li₁li₁)和超短纤维突变体(Li₁li₁)胚珠纤维混合体进行mRNA差异显示反转录PCR(DDRT-PCR)分析,获得2条在李氏纤维发育正常材料中上调表达的差异片段。测序及DNA序列的生物信息学分析表明该差异片段分别与编码谷氨酸脱羧酶和质子焦磷酸酶的基因有较高同源性。通过电子拼接,5¢RACE和全长cDNA序列验证,克隆了棉花的谷氨酸脱羧酶(GhGAD)和质子焦磷酸酶(GhVP1)基因全长cDNA, 进一步对其功能和染色体定位进行了初步分析。转录水平分析表明,这两个基因在棉花根、茎、叶和纤维中组成性表达,在棉纤维中优势表达。利用本实验室陆地棉遗传标准系TM-1和海岛棉海7124培育的含140个单株的BC₁作图群体,将GhGAD和 GhVP1分别定位在第12条染色体和第8条染色体。     

高品质陆地棉蔗糖代谢关键酶活性对纤维品质形成的影响

以高品质陆地棉鲁324系(324)、渝棉1号(YM-1)和普通陆地棉鲁棉研18 (L18)为材料, 研究蔗糖代谢关键酶活性变化对纤维品质形成的影响。结果表明, 高品质陆地棉叶片蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthetase, SPS)活性高, 蔗糖合成能力强, 主茎叶和果枝叶蔗糖含量高, 蔗糖供应能力强。Logistic方程模拟纤维素累积过程, 高品质陆地棉纤维素进入快速累积期的时间晚, 终止期延后, 快速累积持续期长, 累积速率平缓, 最终纤维素含量高, 纤维比强度高。在纤维发育前期, 高品质陆地棉蔗糖贮存较多, 为次生壁发育提供了充足的初始底物。高品质陆地棉蔗糖合成酶(sucrose synthetase, SS)活性高, 降解蔗糖能力强, 酶活性迅速增加时期与纤维素快速累积期相吻合; SPS活性在纤维素快速累积期终止前均明显高于普通陆地棉。叶片SPS活性和棉纤维中SS、SPS活性与纤维素累积及纤维品质形成有密切关系。     

陆地棉REM基因家族全基因组鉴定及表达分析

[目的]REM(Reproductive meristem)基因家族编码一类转录因子在植物生长发育过程中发挥重要作用,但在棉花中未见报道.[方法]基于陆地棉基因组数据和公共数据库中的转录组数据,运用生物信息学方法对陆地棉REM基因家族成员进行系统鉴定,并对该基因家族的理化性质、基因结构、组织表达特异性以及胁迫条件下的表...     

棉花4个栽培种纤维初始发育的比较研究

利用扫描电镜技术,对棉花4个栽培种陆地棉（泗棉3号）、海岛棉（海7124）、亚洲棉（定远小花）以及非洲棉（A_1-50）开花前后的胚珠进行比较观察,并探讨延迟授粉对各棉种纤维初始发育的影响。结果表明,在南京大田气候条件下,除亚洲棉外其他3个棉种均在开花前1 d出现纤维细胞突起。在开花当天和开花后1 d,所有棉种的纤维突起（或伸长）密度均在珠柄顶部的脊突处最大,合点端和胚珠中部其次,珠孔附近最小。除陆地棉外,其他棉种在开花后1 d的纤维伸长密度均低于开花当天的纤维突起密度。说明随着棉胚珠体积的膨大,其他3个棉种胚珠表面的纤维细胞“稀释”程度大于陆地棉。在棉纤维初始发育阶段,纤维密度不仅受气象因子如温度的影响,而且与授粉时柱头的生活力密切相关;延迟授粉对纤维初始发育的影响以非洲棉较大,海岛棉较小,亚洲棉和陆地棉最小。本研究为理解棉纤维的分化和发育机理, 探讨4个栽培棉种纤维发育的亲缘关系,及人工授粉棉纤维的杂种优势利用提供了一定的理论依据。     

一个棉花液泡转化酶基因的克隆与功能分析

棉纤维正常发育需要大量的蔗糖供应。转化酶是生物体内蔗糖代谢途径中的关键酶之一, 对转化酶基因的结构和功能研究将有助于揭示复杂的棉纤维发育分子机制, 并为纤维品质改良提供优良的基因资源。本研究以棉纤维突变体im和遗传标准系TM-1纤维发育中显著差异表达的EST序列(GenBank登录号为EY196825)为探针, 通过电子克隆方法, 结合cDNA及基因组全长基因PCR扩增、测序验证, 克隆到一个棉花液泡转化酶基因GhVacInv2a (GenBank登录号为KF305322)。该基因ORF全长1857 bp, 编码618个氨基酸, 与已登录的陆地棉GhVacInv2基因(GenBank登录号为FJ864677)序列一致性为99%(E=0)。基因组序列分析表明, GhVacInv2a在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中含1个拷贝, 在四倍体陆地棉和海岛棉中存在2个拷贝, 其中GhVacInv2a和GhVacInv2分属于A、D亚组同源基因。该同源基因含7个外显子, 6个内含子。Q-PCR分析表明, 该基因在花药中表达量最高, 在快速伸长的纤维组织中优势表达。在13~19 DPA的纤维中, 其在TM-1中的表达水平极显著地高于im突变体。开发SNP标记, 将GhVacInv2a基因定位在异源四倍体棉花第3染色体上。标记与性状的关联分析显示, GhVacInv2a与纤维强度存在显著相关(P=0.0087), 表明GhVacInv2a在棉花纤维品质形成中可能发挥重要功能。     

棉花腺苷高半胱氨酸水解酶cDNA的克隆、表达及染色体定位

腺苷高半胱氨酸水解酶是调节细胞内甲基反应的一个关键酶。通过对高品质纤维陆地棉品系7235的棉纤维混合cDNA文库随机测序, 得到一个棉花腺苷高半胱氨酸水解酶(编号: g073a03a,GhSAHH)的cDNA序列。该cDNA序列长1 598 bp, 利用5′RACE技术得到上游318 bp的片段,序列拼接获得全长为1 916 bp的cDNA序列, ORF为1 458 bp, 编码485个氨基酸, 其理论上的等电点pI＝5.69, 分子量MW＝53.2 kD。该基因在不同组织、器官中均表达, 在根、下胚轴和纤维发育早期优势表达。根据Southern杂交结果推测GhSAHH基因在陆地棉基因组中为单拷贝。利用本实验室陆地棉遗传标准系TM-1和海岛棉海7124培育的含140个单株的BC1作图群体, 将GhSAHH基因定位在第20号染色体上。     

棉花中HD-Zip Ⅳ家族基因的全基因组鉴定及特征分析

同源异型亮氨酸拉链蛋白(homeodomain-leucine zipper,HD-Zip)是高等植物特有的一类转录因子,分成Ⅰ~Ⅳ4个亚家族。HD-ZipⅣ转录因子主要参与表皮结构的发育调控,在其他作物中已经广泛研究,但是棉花中还未进行系统的分析。本研究中,我们分别对陆地棉、亚洲棉、雷蒙德氏棉进行全基因组的鉴定,分别得到15个、12个、14个HD-ZipⅣ基因。除一个雷蒙德氏棉基因发生丢失外,陆地棉中几乎保留了所有的亚洲棉、雷蒙德氏棉中的HD-ZipⅣ基因。分析表明这些基因编码的蛋白都有HD-ZipⅣ转录因子特征性的结构域,且进化树上关系近的成员拥有相似的基因结构和基序组成。大部分陆地棉HD-ZipⅣ基因经历了纯化选择,且有一些经历正向选择。同时,进一步分析得出结论:片段复制在陆地棉HD-ZipⅣ基因的演化中起重要作用。组织表达分析表明大部分HD-ZipⅣ基因主要在发育着的胚珠和纤维中表达,暗示该家族与棉花中种子形成、纤维发育有关。总之,本研究为棉花中HD-ZipⅣ基因的功能研究及应用提供了参考依据。     

陆地棉REM基因家族全基因组鉴定及表达分析

【目的】REM (Reproductive meristem)基因家族编码一类转录因子在植物生长发育过程中发挥重要作用,但在棉花中未见报道。【方法】基于陆地棉基因组数据和公共数据库中的转录组数据,运用生物信息学方法对陆地棉REM基因家族成员进行系统鉴定,并对该基因家族的理化性质、基因结构、组织表达特异性以及胁迫条件下的表达规律等进行分析。【结果】陆地棉REM基因家族包含79个成员,分布在25条染色体上,可分为5个亚组。每个成员编码的蛋白质至少含有1个B3结构域,大部分定位在细胞核。基因上游2 kb序列中存在激素及胁迫响应等顺式作用元件。组织表达特性分析结果显示,大部分REM基因在胚珠或纤维中的表达量较其他组织更高。逆境胁迫下的表达分析显示,29个基因响应棉花冷、热、盐或干旱胁迫。对6个基因在纤维不同发育时期表达量进行分析,发现这些基因的表达与已发表的转录组数据基本一致。【结论】明确了REM基因家族在基因组中的分布特征、结构特征以及系统进化特征,根据转录组数据初步揭示了该家族基因在生长发育和抗逆中的功能。     

新引进棉花种质资源的初步筛选

1991年,中国农业科学院棉花研究所棉花种质资源繁种鉴定(85-01-03-01)课题组,对收集的85份国外棉花种质资源进行了研究,也括陆地棉73份,海岛棉12份。对照品种为中棉12号。采用田间鉴定与室内鉴定相结合的方法。每个材料种植1行,行长10m,行距0.8m,株距0.3m。全生育期调查其主要农艺性状,吐絮盛期收中喷花进行室内考种,采用HVI900系列纤维测定仪测定纤维品质。经过分析、计价,从中筛选出了以下几类可供利用的棉花种质。1.早熟类陆地棉早熟种质有BLLCH-     

两个棉花ß-葡聚糖酶新基因的结构与表达特征分析

β-葡聚糖酶是一类能降解β-葡聚糖的水解酶。本研究分别通过电子克隆和棉纤维发育cDNA文库筛选法克隆到2个棉花β-葡聚糖酶新基因,内切-1,4-β-葡聚糖酶基因(GhEG,GenBank登录号为HM462003)和1,3-β-葡聚糖酶基因(GhGLU,GenBank登录号: HM462004)。GhEG全长ORF为1 581 bp,编码526个氨基酸残基。GhGLU全长ORF为1 410 bp,编码469个氨基酸残基。基因组水平分析表明,GhEG含5个内含子和6个外显子,而GhGLU无内含子,仅1个外显子。新克隆的2个基因在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中含1个拷贝,而在四倍体陆地棉和海岛棉中存在2个拷贝。通过开发SNP标记分别将GhEG和GhGLU在四倍体中的一个拷贝定位在第19染色体和第4染色体上。Q-PCR表达分析表明,GhEG在根、茎、叶中表达水平很低,而在纤维伸长期优势表达,在15 DPA和20 DPA纤维中,该基因在海岛棉海7124中的转录本显著高于陆地棉TM-1。GhGLU在根、茎、叶及纤维发育不同时期均有表达,属于组成性表达基因,特别在根、纤维发育初始期和伸长后期优势表达,且表达水平在陆地棉TM-1和海岛棉海7124间也有显著差异。     

棉纤维伸长阶段上下调基因及相关通路的分析

棉花纤维细胞是研究细胞发育机制的理想材料，陆地棉Ligon lintless(Li₁)是单基因显性超短纤维突变体, 其性状表现为长纤维极度缩短，分离得到的野生型(li₁)纤维发育正常。本实验通过cDNA芯片的方法对两个材料进行比较分析，采集开花前1 d到开花后7 d即–1 DPA ~ +7 DPA (day post anthesis)材料，检测到多个上调和下调基因，选择两个基因(CIPK和XET)进行RT-PCR和qRT-PCR的芯片验证。应用MAS (molecular analysis system)系统进行GO功能注释和Pathway的分析表明，这些差异表达基因参与脂肪酸代谢(fatty acid metabolism)，甘油脂代谢(glycerolipid metabolism)以及碳固定(reductive carboxylate cycle)等多个代谢途径。这些基因在突变体Li₁中的异常表达可能导致细胞中脂肪酸和脂肪含量变化，影响棉纤维细胞的正常发育。     

棉花纤维特异表达基因GhF1的分离及鉴定

采用mRNA荧光差异显示结合cDNA末端快速扩增技术,克隆了一个棉纤维特异表达基因的全长cDNA,命名为GhF1,该cDNA全长622 bp,含有一个编码66个氨基酸蛋白的开放阅读框。Southern杂交分析表明该基因在陆地棉(Gossypium hirsutumL.)中含有两个拷贝。Northern杂交分析表明该基因在棉花纤维细胞特异表达,在纤维发育过程中,GhF1转录产物的累积主要发生在纤维细胞发育的早期阶段。尽管未发现该基因与已知基因有任何同源性,但其分布的组织特异性和表达的发育阶段性暗示该基因在纤维伸长中起作用。     

棉花纤维发育的分子研究进展

棉花纤维的发育经历起始期、伸长期(初生壁形成)、次生壁形成期和成熟期四个时期，大量研究表明在棉花纤维发育的各个阶段均有大量的基因参与调控棉花纤维起始细胞突起，棉花纤维细胞的伸长及次生壁的形成等过程。本文综述了棉花纤维发育过程中在分子水平上的一些研究进展。     

棉花ADP-ribosylation factor基因(GhARF1)的克隆与表达分析

ADP-ribosylation factor (ARF)是GTP结合蛋白,属于小G蛋白超家族中的ARF亚家族成员,在高尔基体小囊泡形成以及细胞信号传导中起重要作用。棉花纤维的发育需要有高尔基体参与,但ARF基因在棉花纤维发育中的功能尚不清楚。本文利用GHA27作探针,筛选棉花花药的cDNA文库,得到两个序列相同的阳性克隆。核苷酸序列分析表明该基因编码一个有181个氨基酸残基,分子量约20.7 kDa的蛋白,与动物、酵母及其他植物的ARF基因有很高的相似性,命名为GhARF1。采用PCR技术获得该基因序列,该基因含有5个外显子和4个内含子。进化树分析表明该基因更接近人类的classⅠ类ARF基因,在编码的氨基酸序列中具有保守的GTP结合区域,即P（GLDAAGKT）、G（NKQD）以及G’（DVGGQ）。Northern杂交结果显示GhARF1基因在棉花的纤维、花冠和根中表达量较高,特别是在纤维中的表达量最高,在茎、花蕾中也有表达,而在真叶、子叶和胚珠中的表达较微弱。Southern杂交分析表明,ARF基因在二倍体草棉和四倍体陆地棉基因组中均以多拷贝存在。