棉纤维伸长与细胞壁加厚的调控机制研究

【摘要】：【研究背景】棉花是重要的经济作物,为纺织工业提供大宗天然纺织原料。棉纤维长度、强度和细度是重要的品质性状。棉纤维由不分叉的单细胞组成,发育过程可分为起始、伸长、次生壁加厚及脱水成熟四个相互重叠的时期。细胞伸长的时间与速率决定纤维长度,次生壁加厚则与纤维强度直接相关。已知HD-ZIP IV家族转录因子GhHOX3等调控纤维伸长,但以往对棉纤维细胞如何从伸长期向次生壁合成期转换及其调控机制并不清楚。要回答这个问题,需要分离在细胞伸长和次生壁合成期均有表达,且参与调控细胞壁加厚的关键因子。【材料与方法】利用酵母双杂交筛选与GhHOX3互作的蛋白,对得到的候选基因做深入分析,将高表达和RNAi构件分别转入棉花,与GhHOX3的相关转基因材料杂交,观察棉纤维发育的变化。通过细胞学(光镜、电镜观察等)、生化(细胞壁成分分析)和分子(转录组、RT-PCR)等手段分析候选基因对棉纤维发育的调控机制。【结果与分析】我们发现,棉花TCP转录因子GhTCP4可与GhHOX3互作。GhTCP4与拟南芥AtTCP4直系同源,是CIN类的TCP转录因子,受到microRNA319(miR319)的调控。实验表明GhTCP4与GhHOX3可以相互抑制对方的转录活性。过表达GhTCP4的转基因棉花呈现出短纤维的表型,通过扫描电镜观察,发现该株系的纤维扭曲消失,暗示GhTCP4影响纤维素的堆积及细胞壁的形成。透射电镜观察发现GhTCP4过表达株系成熟纤维的细胞壁厚度是野生型的两倍以上,而在细胞壁加厚早期(18DPA),过表达株系细胞壁厚度已经显著高于野生型,同时细胞壁组分分析也表明纤维素在过表达株系中显著积累。转录组与qRT-PCR分析显示,负责次生壁合成的纤维素合酶在过表达株系中提前上调,高表达的GhTCP4可能通过提前启动细胞壁加厚阶段而造成纤维粗短的表型。进一步分析发现调控棉花次生壁合成的调控因子基因GhFSN1以及纤维素合酶GhCESA7的启动子区域均含有TCP4的结合元件,EMSA表明GhTCP4能够直接结合到该区域并激活基因的表达,从而调控棉花细胞壁加厚。【结论】GhTCP4通过与GhHOX3互作负向控制纤维伸长,通过促进纤维素合酶基因表达正向调控次生壁合成,为棉纤维品质改良的分子育种提供了候选靶标。