GhHOX4在棉花纤维细胞起始和伸长发育中的调控作用研究

发布时间：2020-05-13 03:27

【摘要】：棉花是最世界上重要的纤维作物之一,生物学家和育种学家一直利用现代生物技术和方法来改善棉纤维品质,提高棉花产量。棉纤维是一种单细胞结构的表皮毛,由棉花胚珠表皮细胞极性伸长而来,它与拟南芥表皮毛发育模式相似。以往的研究表明,拟南芥GLABRA2(AtGL2)基因在拟南芥叶表皮毛和根表皮毛细胞的分化中起重要作用。通过同源序列比对,我们发现棉花GhHOX1、GhHOX2、GhHOX3、GhHOX4与AtGL2的Homeobox结构域相同,氨基酸水平上的同源性分别达到了95%、71%、72%和63%。在前期工作中,从陆地棉中克隆鉴定了 GhHOX4基因,并且对该基因在拟南芥中的功能及其分子机制进行了研究。本研究根据前期研究结果,继续对GhHOX4转基因拟南芥表皮毛的长度做了进一步研究;并对获得的GhHOX4 RNAi转基因棉花及GhHOX4 OE转基因棉花进行T2、T3、T4代的遗传表型分析及纤维品质检测,通过RNA-Seq技术对GhHOX4转基因棉花开花后6天棉纤维进行转录组分析,解析GhHOX4在棉花纤维起始和伸长发育中的调控作用。所得的主要结果如下:1.GhHOX4调控棉花纤维细胞起始和伸长发育为了研究GhHOX4基因在棉花纤维发育中的功能,我们通过农杆菌介导的棉花转化方法,分别获得了GhHOX 过量表达和RNAi转基因棉花植株。连续种植了 GhHOX4转基因棉花后代株系的不同世代(T1-T4代),观察分析转基因棉花后代株系的遗传表型。研究结果表明,在GhHOX4过量表达转基因棉花纤维中GhHOX4表达量明显提高,而在GhHOX4 RNAi棉花纤维中GhHOX4表达量显著下降。在T2、T3和T4代GhHOX4过量表达和RNAi转基因棉花纤维中该基因的表达量也与T1代的分析结果一致。统计分析了转基因棉花成熟棉纤维长度,结果显示与野生型相比,GhHOX4过量表达转基因棉花成熟纤维明显变长,而GhHOX4 RNAi转基因棉花纤维明显变短。此外,进行GhHOX4转基因棉花胚珠离体培养实验,所得结果也与成熟纤维的统计分析结果一致。以上结果说明GhHOX4基因在棉花纤维伸长阶段发挥正调控作用。利用徒手切片技术,观察GhHOX4 OE及RNAi转基因棉花株系及野生型植株开花后0天、1天和2天的胚珠表面纤维细胞突起,发现GhHOX4OE株系的胚珠表面上突起的纤维细胞较野生型细胞更长且更稀疏,而GhHOX4 RNAi株系与野生型相比没有明显差异。这暗示GhHOX4基因可能影响棉纤维细胞的早期起始分化及其随后的伸长发育。棉纤维平均长度、整齐度、断裂比强度和马克隆值等是衡量棉纤维品质的几个重要指标。从棉纤维品质检测结果中可以看到:GhHOX4 RNAi转基因棉花的纤维长度变短4.1%,GhHOX4 OE转基因棉花的纤维长度变长3.9%;而棉纤维的整齐度均较高,超过84%。断裂比强度则是GhHOX4 RNAi转基因棉花变弱7.6%,GhHOX4 OE转基因棉花变强1.8%。这说明该基因影响棉纤维长度等关键品质性状的形成。2.GhHOX4影响棉花纤维伸长发育过程中的下游基因表达为研究转基因棉花纤维中GhHOX4基因对下游基因的表达调控,我们选择T2代开花后6天的GhHOX4 RNAi棉花纤维RNA样品以及野生型RNA样品,进行了RNA-seq测序分析,筛查陆地棉中可能受GhHOX4调控的差异表达基因。转录组分析发现,与野生型相比较,GhHOX4 RNAi转基因棉花纤维中有453个基因的表达发生了改变,其中,有86个基因表达上调,367个基因表达下调。这些差异表达基因主要包含一些细胞与细胞器相关基因,以及结合、催化活性、转运活性、分子传感器活性等相关的基因,这可能表明在棉纤维细胞起始分化及快速伸长时期细胞代谢活跃,细胞内迅速合成及转运纤维伸长所需要的物质,从而保证纤维细胞能够不断的伸长。随之,结合差异基因的热图分析及已有的文献资料发现了一些参与棉纤维发育的基因,可能受到GhHOX4的调控。所以,转录组分析结果表明GhHOX4基因可能在棉花纤维起始和伸长阶段广泛调控或影响下游基因表达而调节棉纤维伸长发育。
【图文】：

过程图,表皮毛,叶表皮毛,根毛

图１．１表皮毛发育过程（Ｑｉｎｇ邋Ｌ，Ａｏｙａｍａ邋Ｔ，２０１２）逡逑图中分别展示了根毛、叶表皮毛、茎表皮毛、种皮表皮毛的形成过程。逡逑以叶表皮的表皮毛为例，，可以总结为：Ｒ２Ｒ３型ＭＹＢ蛋白ＧＬ１／ＭＹＢ２３与逡逑ＷＤ４０邋蛋白邋ＴＴＧ１、ＬＨ邋蛋白邋ＧＬＡＢＬＡ３（ＧＬ３）或邋ＧＬＡＢＲＡ３ＥＮＨＡＮＣＥＲ（ＥＧＬ３）逡逑组成三联体复合物，共同激活下游的ＧＺ２基因，进而促进表皮细胞的发育逡逑

陆地棉,棉花纤维,蛋白结合,家族

—逦邋ＧｈＨ0Ｘ２逡逑图１．４陆地棉ＨＯＸ家族进化树（杨霞等，２００８）逡逑陆地棉ＨＯＸ家族进化树分析，Ｇｈ为陆地棉基因，Ａｔ为拟南芥基因。逡逑棉花的ＨＯＸ家族是ＧＺ２的同源基因，而ＨＯＸ基因总共有四个，即逡逑Ｃ＾ｉ／ＯＺ２、以及逦。多序列比对的结果显示了邋ＧｈＨＯＸｌ、ＧｈＨＯＸ２、逡逑ＧｈＨＯＸ３以及ＧｈＨＯＸ４与拟南芥的ＧＬ２蛋白的相似性分别达到６４°／。、３６％、３９％、逡逑７逡逑
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S562

【参考文献】