次生壁加厚过程中影响棉纤维素合成的主要生理机制

笔者结合国内外对于棉纤维发育过程中纤维细胞内部生理生化反应的最新研究成果,依据棉花纤维比强度形成机制,综述了棉纤维比强度形成的关键时期次生壁加厚期,纤维素生物合成的物质变化、参与调控其合成的酶系(纤维素合成酶,蔗糖合成酶,β-1,3-葡聚糖合酶,β-1,3-葡聚糖酶,吲哚乙酸氧化酶和过氧化物酶)及影响合成的主要因素(基因型,温度,激素)等方面的研究进展.为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径和培育高纤维强度的棉花品种提供了理论依据.     

主要生理机制

 笔者结合国内外对于棉纤维发育过程中纤维细胞内部生理生化反应的最新研究成果,依据棉花纤维比强度形成机制,综述了棉纤维比强度形成的关键时期次生壁加厚期,纤维素生物合成的物质变化、参与调控其合成的酶系（纤维素合成酶,蔗糖合成酶,β-1,3-葡聚糖合酶,β-1,3-葡聚糖酶,吲哚乙酸氧化酶和过氧化物酶）及影响合成的主要因素（基因型,温度,激素）等方面的研究进展。为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径和培育高纤维强度的棉花品种提供了理论依据。     

新疆棉区日最低气温对棉纤维次生壁加厚期蔗糖代谢的影响

 【目的】研究日均最低气温对棉纤维中蔗糖代谢、纤维素沉积和纤维比强度形成的影响,揭示棉纤维强力变化的机理。【方法】通过分期播种,使棉铃发育处于不同的低温环境下,研究不同低温水平对新疆棉纤维发育过程中蔗糖代谢中相关物质含量变化、调控蔗糖代谢的关键酶活性变化的影响及与纤维素沉积的关系。【结果】正常播期条件下,棉株中部棉铃纤维中蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性高,蔗糖转化彻底,纤维素累积时间长且累积平稳,最终纤维素含量高、纤维强力增加。播期推迟,棉铃发育过程中夜间温度降低,纤维中SPS活性下降、酸性转化酶（AI）和碱性转化酶（NI）活性升高,造成果糖含量明显上升,影响纤维素的沉积。【结论】棉纤维加厚期＜15.3℃的日均最低气温影响了蔗糖代谢关键酶活性的变化,引起蔗糖转化率下降,果糖循环速率减缓并在纤维中大量富集。     

棉花纤维品质形成生理学研究——Ⅰ.生长调节剂对纤维细胞次生壁增厚的效应

本试验对大田生长的陆地棉(G.hirstum L.)中16品种植株上的花和棉铃分别应用6种生长调节剂,研究纤维细胞次生壁快速增厚期生长调节剂对纤维细胞次生壁增厚的效应。试验结果表明:NAA(20μm)促进纤维伸长,但降低纤维细胞壁厚度,使单根纤维重量降低;GA_3(20μm)、4Pμ-30(μm),多效唑(50ppm)促进了纤维伸长,且增加了纤维细胞壁厚度,使单根纤维重量增加、调节安(50ppm)未增加纤维长度,但降低了纤维厚度,使单根纤维重量降低;缩节安(50ppm)与对照天显著差异。     

棉株生理年龄对纤维加厚发育及纤维比强度形成的影响

 【目的】研究棉株生理年龄对棉纤维加厚发育及纤维比强度形成的影响。【方法】通过设置播期试验使位于棉株不同部位的棉花"三桃"（伏桃、早秋桃和晚秋桃）的棉纤维加厚发育期（铃龄25～50 d）处于相同的温度条件下（统计伏桃、早秋桃和晚秋桃棉纤维加厚发育期日均温分别为22.0、19.4和15.3℃）。【结果】棉花"三桃"的棉纤维加厚发育及纤维比强度受温度和棉株生理年龄的双重影响，棉株生理年龄是影响伏桃、早秋桃棉纤维加厚发育的主要因子，对棉株上部果枝的伏桃和下部果枝的早秋桃棉纤维加厚发育具有显著影响，铃重、衣分和纤维比强度均明显低于其他部位；棉纤维加厚发育期低温则是影响晚秋桃棉纤维加厚发育及纤维比强度的首要因子。在本试验15.3℃的温度条件下，棉纤维蔗糖合成酶活性显著降低，β-1，3-葡聚糖酶活性显著升高，同时纤维素累积量和累积速率均显著降低，棉花铃重低于2 g，纤维比强度低于20 CN·tex-1。【结论】棉株生理年龄对伏桃、早秋桃和晚秋桃纤维比强度的影响作用依次增强。     

植物木质部次生细胞壁加厚调控的研究进展

木质部是维管植物运输土壤水分和可溶性物质的复合组织,由管状分子、木薄壁细胞以及木纤维3部分组成,其中管状分子和木纤维细胞均能发生次生细胞壁加厚,为植物生长发育提供必要的支撑。对木质部次生细胞壁加厚转录因子的共同调控网络的研究进展进行综述,其中以NAC−MYB为核心的转录调控网络在该过程中扮演着关键性的作用;NAC转录因子家族可根据其调控部位分为VND基因家族、NST1/NST3转录因子和NST1/NST2转录因子,并直接调控下游MYB转录因子家族的表达,影响次生细胞壁的加厚。并以拟南芥、水稻、杨树等模式植物为例梳理调控机制,以便能更好的加深对植物木质部次生细胞壁加厚过程中转录调控的理解。     

紫花苜蓿不同发育时期次生壁合成调控的转录组分析

【目的】探讨紫花苜蓿次生壁合成的基因网络调控变化和表达模式,确定一些关键候选基因和转录因子,为紫花苜蓿次生壁加厚调控网络的分子机制研究奠定基础。【方法】对‘中苜1号’紫花苜蓿分枝期（S1）、现蕾期（S2）、初花期（S3）和盛花期（S4）的茎进行近红外光谱法测定次生壁主要物质含量和Illumina HiSeq^TM 2500高通量转录组测序。以紫花苜蓿的近缘物种蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）基因组作为参考基因组进行序列比对并组装构建转录本。利用FPKM法计算基因表达量,以Fold change（差异表达倍数）≥2或≤0.5（表达上调或下调）、FDR（false discover rate）≤0.05为筛选条件,在3个相邻时期转录组比较组合中（S2vs S1,S3 vs S2,S4 vs S3）筛选差异表达基因。通过Gene Ontology数据库和KEGG Pathway数据库对紫花苜蓿不同发育时期差异表达基因的功能和参与的代谢途径进行注释。【结果】共获得41 734个基因在紫花苜蓿不同发育时期的转录表达情况,27个功能注释与紫花苜蓿纤维素、木质素合成密切相关的基因差异表达,其变化趋势与纤维素和木质素含量测定结果基本一致,即随着生长发育时期的变化,表达水平逐渐提高。研究表明,初花期是紫花苜蓿次生壁合成调控的转折期,纤维素和木质素含量与其合成基因表达量在初花期均显著提高。MTR_2g016630（Ces）和MTR_7g103590（Ces A1）等纤维素合成酶基因表达水平在初花期显著上升,木质素合成途径中,MTR_1g064090（PAL1）、MTR_1g111240（C4H）和MTR_2g104960（CCR）基因表达量在初花期或盛花期相比分枝期上调表达倍数达到10倍以上。本研究中27个与植物生长发育相关的转录因子在紫花苜蓿不同发育时期差异性表达,其中NAC家族和MYB家族转录因子有18个,也有少量WRKY、BHLH、ERF、C3H等转录因子。【结论】获得‘中苜1号’紫花苜蓿在4个生长发育时期茎的基因表达谱数据,共获得54个差异表达基因,其中稳定上调基因24个,稳定下调基因30个。这些基因很有可能参与紫花苜蓿次生壁的合成调控。     

温度影响棉纤维发育研究进展

本文论述了棉纤维伸长发育、加厚发育及棉纤维超分子结构三个方面的发育机理及其内在的联系。阐述了近年来温度对棉纤维发育影响的最新研究进展。     

新疆棉花播期对棉纤维糖类物质及超分子结构的影响

[目的]在新疆气候生态条件下,研究不同播期对棉纤维发育过程中纤维素累积和纤维超分子结构的影响,探讨纤维累积特征、超分子结构变化与纤维强度形成的关系,揭示棉花生育后期低温对棉纤维强度形成的影响.[方法]选用新陆早13号和新陆早33号为材料,采用分期播种的方法,形成棉铃发育的不同温度条件,研究棉纤维素发育过程中纤维素累积特性和纤维超分子结构的变化,分析纤维强度形成与超分子结构变化的关系.[结果]在新疆棉花生产正常播期处理条件下,棉纤维的发育处于较适宜的温度条件,纤维发育过程中纤维素积累速率平缓且经历时期长;在晚播条件下,棉纤维发育后期受到低温的影响,纤维素的快速积累起始时期推迟,纤维快速积累时期缩短,纤维素的理论最大含量下降,晚播处理棉纤维的取向分散角和取向分布角的角度大于正常播期处理,纤维强度下降.[结论]在棉纤维发育过程中,棉纤维发育期后期的低温不仅影响了纤维素的积累特性,导致纤维的超分子结构3个参数大于正常播期处理,不利于高强纤维的形成.     

棉花纤维强度及其形成机制

本文从仪器测试原理、纤维特性及与紡织工业的关系等角度探讨了纤维强度的不同指标,闡明了与只有3.2毫米隔距的断裂比强度才能恰当评价原棉品质的原因所在,提出了强度测试仪器与标准应积极与国际标准靠攏的必要性。在纤维强度形成机制部分,通过对强度差异的纤维形态、超分子结构与化学组成因素、纤维加厚发育机制及纤维强度遗传机制的分析,对目前棉花纤维强度研究的概况作了简要回顧,并指出了急待解决的关键所在。     

棉纤维发育相关酶活性的基因型差异与纤维比强度的关系

 【目的】以纤维比强度差异较大的不同基因型棉花为材料，研究它们纤维发育过程中相关酶活性的动态变化与纤维比强度的关系，为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径提供理论依据。【方法】选择棉纤维比强度分属高（科棉1号）、中（美棉33B）、低（德夏棉1号和苏棉15号）3种类型，4个不同基因型的品种，在大田栽培条件下，研究棉纤维次生壁加厚过程中相关酶活性的动态变化、纤维素累积和纤维比强度形成的关系。【结果】β-1,3-葡聚糖酶活性在次生壁加厚发育过程中呈下降趋势，蔗糖合成酶、过氧化物酶和IAA氧化酶活性变化均呈单峰曲线，基因型间差异主要表现在酶活性的大小和峰值出现的时间。科棉1号属高强纤维基因型，棉纤维中与纤维发育相关的酶活性在整个次生壁加厚期高于中、低强纤维基因型，前者酶活的动态变化与纤维素累积快速增长期的协调性好，纤维素累积平缓，纤维比强度增强的幅度大；反之，如低强纤维品种德夏棉1号和苏棉15号，其纤维发育相关酶在次生壁加厚期活性低，纤维素累积快速增长期短，纤维比强度增强的幅度小；美棉33B棉纤维发育相关酶活性、纤维素累积和纤维比强度形成特征介于上述两种基因型之间。【结论】不同基因型棉花纤维中与纤维发育相关的酶活性存在显著差异，该差异可能是导致纤维素累积特性及纤维比强度形成基因型间差异的主要生理原因之一。     

不同棉花品种纤维比强度形成的时空差异及其与温度的关系

【目的】探讨不同遗传背景棉花品种纤维比强度形成的温度敏感性特征。【方法】采用SPPS（11.0）统计分析软件分析2001～2004年长江流域棉花品种区域试验纤维品质资料。【结果】在相同条件下,同一品种的纤维比强度的变异性较为稳定,即棉纤维比强度的变异性具有较强的遗传（品种）特性,不同品种其纤维比强度变异性存在显著差异,因此可根据纤维比强度变异性大小对品种进行类型划分。研究发现各品种不同果枝部位及“四桃”间纤维比强度的变异性均存在差异,根据不同果枝部位及“四桃”间纤维比强度的变异系数分别聚类,可将14个品种划分为纤维比强度形成对温度敏感型,中间型和非敏感型3个类群。【结论】纤维比强度变异性大小具有一定的稳定性和品种特性,不同品种纤维比强度的稳定性存在较大差异。棉纤维比强度的变异性主要来源于温度的变异性。不同品种棉花纤维比强度变异性的显著差异也可能主要来源于其对温度变化敏感性的差异。     

利用外源基因改良棉花纤维品质的研究进展

综述了利用外源基因导入手段进行棉花纤维品质改良的相关研究进展,旨为棉花分子育种研究提供帮助。     

棉花纤维发育相关转录因子的研究进展

棉花纤维细胞分化和发育是1个极其复杂的过程,在纤维发育的各个时期均有大量基因参与调控,相关转录因子在棉纤维发育过程中起着极其重要的作用。介绍了近年来研究较多的棉纤维发育相关转录因子MYB类转录因子、MADS类转录因子和SPB类转录因子等的概况以及最新的研究进展,可为棉花转录因子的研究提供参考。     

我国棉花纤维品质现状分析

2001~2005年农业部对我国主产棉省主栽棉花品种纤维的抽查结果表明:纤维长度主要分布在28~29mm;纤维整齐度指数高,主要分布在82%~84%;断裂比强度处于中等偏上水平,主要分布在27~29 cN/tex;纤维成熟较好,粗细适中,马克隆值主要分布在4.6左右;色特征级多数分布在21、31、41级。目前我国棉花纤维质量可以满足纺织工业纺中、低档棉纱(32~40支纱)的要求,可纺高支纱(60~80支)的原棉纤维所占比例较少。     

不同播期对棉花纤维品质的影响

[目的]研究不同播期对棉花纤维品质的影响。[方法]以转基因杂交抗虫棉中棉所29和常规转基因抗虫棉新棉33B为材料,探讨了不同播期对棉花纤维品质的影响。[结果]不同基因型棉花纤维品质对于播期的反应存在差异,中、下部的纤维品质对播期的反应比上部更加敏感;适当的早播有利于改善杂交抗虫棉中棉所29中、下部的纤维品质,尤其是中部纤维品质;而适当晚播可能更有利于新棉33B中部纤维品质的改善。[结论]该研究为棉花高产优质栽培提供了理论依据。