陆地棉GhACS家族进化树分析及其中两个成员影响纤维发育的机制

发布时间：2020-08-29 07:51

　　棉花是一种在世界范围内普遍种植的重要经济作物,为纺织业提供纤维原料。已有研究表明,植物激素乙烯参与棉花种子萌发,细胞和组织分化,棉花植株从营养生长到生殖生长的转变,以及植株衰老等生理生化过程。作为乙烯生物合成的直接前体物质,1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC)调节棉花营养枝生长、花的发生、结铃、纤维起始发育、吐絮和植株响应外界非生物性或生物性胁迫等众多生物学过程。ACC合酶(ACC synthase,ACS)催化S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)转变为ACC,是植物体内乙烯生物合成过程的限速酶。ACS活性在控制棉花生长发育、应答逆境胁迫信号、农艺性状指标、纤维产量和质量品质等方面起到了至关重要的作用。NCBI数据库收录了陆地棉基因组中22个GhACS基因的核苷酸及氨基酸序列信息。GhACS家族基因序列特征以及与其它物种ACS基因之间的进化关系鲜少报道,其编码蛋白理化性质和氨基酸序列特征尚未有系统研究。与乙烯生物合成有关的GhACS家族成员在棉花不同生长发育时期的表达模式以及参与纤维起始发育的专一性调控需要进一步研究。本论文检索NCBI数据库中GhACS家族基因信息发现,陆地棉基因组中的22个GhACS基因有20个直接参与ACC合成;利用DNAMAN进行核苷酸和蛋白质序列相似性比对分析,采用MEGA-X进行系统进化分析,结果显示GhACS蛋白的氨基酸序列C末端差异较大。使用Disorder-Enhanced Phosphorylation Sites Predictor 1.3蛋白质磷酸化位点预测软件分析发现,这20个GhACS基因具有多个潜在的丝氨酸磷酸化位点,可能关系到蛋白质稳定性以及与其它因子的相互作用。实时荧光定量PCR检测结果表明,GhACS家族中GhACS1、GhACS2、GhACS4、GhACS6、GhACS10、GhACS12在棉花不同发育阶段不同组织中mRNA水平呈现明显的时空表达特异性。在以上分析基础上,以YU668为受体,采用基因编辑技术对其中两个成员基因启动子区序列进行编辑,构建并获得初步认为具有过表达GhACS基因性状的两个陆地棉新株系1(N1)和新株系2(N2),新株系中两个GhACS基因表达活性升高。观察棉花新株系的各种农艺性状发现:在开封试验田,安阳试验田和阿拉尔试验田中,新株系棉花与野生型相比单株结铃数增多,平均单铃重增加,纤维产量增多。同一试验田内新株系棉花纤维明显长于野生型;新株系棉花马克隆值均低于野生型,表明新株系棉花纤维细度和成熟度优于野生型。棉花生长发育期累积日照时数的增长为纤维发育提供有利条件,使得棉纤维使用价值较高。棉花胚珠表皮细胞中蔗糖的积累和分解对于棉纤维的起始发育非常关键。蔗糖合酶可以将蔗糖分解为二磷酸尿苷葡萄糖和果糖,在纤维细胞伸长和次生细胞壁合成过程中起重要作用。检测结果表明,新株系棉花开花前1天(-1 days post-anthesis,-1 DPA)到开花后7天(7 days post-anthesis,7 DPA)的胚珠表皮细胞中蔗糖积累以及蔗糖合酶活性明显高于YU668。进一步探索这两个GhACS表达活性影响陆地棉生长发育的机制发现,新株系棉花叶片和胚珠中雷帕霉素靶蛋白(Target of rapamycin,TOR)的表达水平明显上调,蔗糖转运蛋白(Sucrose transporters,SUT)和SWEET(Sugars Will Eventually Be Exported Transporter)基因家族的mRNA水平均有不同程度的升高,暗示可能由于这两个GhACS表达活性的升高,有利于蔗糖从苞叶和距离胚珠最近的叶片转运到胚珠,为棉纤维起始发育提供物质基础和能量来源,为纤维素的合成提供所需原料,表现为正向调控了纤维细胞起始发育。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S562
【部分图文】：

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蔗糖合酶,胚珠,表皮细胞

催化一个可逆反应，该反应偏向于将蔗糖分解为UDPG和果糖，其中一部分果糖在细胞内经过一系列生理化学变化也转变为UDPG的形式，参与纤维素合成、淀粉合成等途径（Taliercio et al., 2009）。如图1-2所示，细胞中少数蔗糖合酶处于游离状态，大部分则定位于细胞膜上，与质膜部分紧密相连（Ruan et al., 2003）。图 1-2 蔗糖合酶在胚珠表皮细胞膜积累（Ruan et al., 2003）(A) 预免疫血清处理0 DPA时WT胚珠纵切图。(B) 蔗糖合酶多克隆抗体处理(A)材料后纵切图。蔗糖合酶蛋白信号在胚珠表皮细胞（箭头所示）被特异性地检测到，而不是在胚珠其他部位。(C) 预免疫血清处理WT纵切图。(D) 蔗糖合酶抗体处理(C)材料后，在胚珠表皮细胞和纤维起始部位表现出强烈的蔗糖合酶信号。(E) 扩大对(D)材料观察视野

植物体,葡萄糖,雷帕霉素,家族

与介导蔗糖在源组织细胞液泡中的卸载和库组织细胞中等, 2007）。一组与SUT家族功能相似的SWEET（Sugars W Transporter）家族蛋白也被鉴定，它们负责调控蔗糖从细面的转移（Eom et al., 2015）。目前在陆地棉纤维发育过员有SUT1、SUT2、SUT3和SWEET1、SWEET5、SWEET6、雷帕霉素靶蛋白是糖类代谢和转录网络调控的雷帕霉素靶蛋白的生理功能素靶蛋白（Target of rapamycin, TOR）是一种丝氨酸/苏氨酶家族，被认为是生物体内营养物质，能量代谢，激素中心协调者（图 1-3）。

【参考文献】