【摘要】：棉花是最世界上重要的纖維作物之一,生物學家和育種學家一直利用現(xiàn)代生物技術(shù)和方法來改善棉纖維品質(zhì),提高棉花產(chǎn)量。棉纖維是一種單細胞結(jié)構(gòu)的表皮毛,由棉花胚珠表皮細胞極性伸長而來,它與擬南芥表皮毛發(fā)育模式相似。以往的研究表明,擬南芥GLABRA2(AtGL2)基因在擬南芥葉表皮毛和根表皮毛細胞的分化中起重要作用。通過同源序列比對,我們發(fā)現(xiàn)棉花GhHOX1、GhHOX2、GhHOX3、GhHOX4與AtGL2的Homeobox結(jié)構(gòu)域相同,氨基酸水平上的同源性分別達到了95%、71%、72%和63%。在前期工作中,從陸地棉中克隆鑒定了 GhHOX4基因,并且對該基因在擬南芥中的功能及其分子機制進行了研究。本研究根據(jù)前期研究結(jié)果,繼續(xù)對GhHOX4轉(zhuǎn)基因擬南芥表皮毛的長度做了進一步研究;并對獲得的GhHOX4 RNAi轉(zhuǎn)基因棉花及GhHOX4 OE轉(zhuǎn)基因棉花進行T2、T3、T4代的遺傳表型分析及纖維品質(zhì)檢測,通過RNA-Seq技術(shù)對GhHOX4轉(zhuǎn)基因棉花開花后6天棉纖維進行轉(zhuǎn)錄組分析,解析GhHOX4在棉花纖維起始和伸長發(fā)育中的調(diào)控作用。所得的主要結(jié)果如下:1.GhHOX4調(diào)控棉花纖維細胞起始和伸長發(fā)育為了研究GhHOX4基因在棉花纖維發(fā)育中的功能,我們通過農(nóng)桿菌介導的棉花轉(zhuǎn)化方法,分別獲得了GhHOX 過量表達和RNAi轉(zhuǎn)基因棉花植株。連續(xù)種植了 GhHOX4轉(zhuǎn)基因棉花后代株系的不同世代(T1-T4代),觀察分析轉(zhuǎn)基因棉花后代株系的遺傳表型。研究結(jié)果表明,在GhHOX4過量表達轉(zhuǎn)基因棉花纖維中GhHOX4表達量明顯提高,而在GhHOX4 RNAi棉花纖維中GhHOX4表達量顯著下降。在T2、T3和T4代GhHOX4過量表達和RNAi轉(zhuǎn)基因棉花纖維中該基因的表達量也與T1代的分析結(jié)果一致。統(tǒng)計分析了轉(zhuǎn)基因棉花成熟棉纖維長度,結(jié)果顯示與野生型相比,GhHOX4過量表達轉(zhuǎn)基因棉花成熟纖維明顯變長,而GhHOX4 RNAi轉(zhuǎn)基因棉花纖維明顯變短。此外,進行GhHOX4轉(zhuǎn)基因棉花胚珠離體培養(yǎng)實驗,所得結(jié)果也與成熟纖維的統(tǒng)計分析結(jié)果一致。以上結(jié)果說明GhHOX4基因在棉花纖維伸長階段發(fā)揮正調(diào)控作用。利用徒手切片技術(shù),觀察GhHOX4 OE及RNAi轉(zhuǎn)基因棉花株系及野生型植株開花后0天、1天和2天的胚珠表面纖維細胞突起,發(fā)現(xiàn)GhHOX4OE株系的胚珠表面上突起的纖維細胞較野生型細胞更長且更稀疏,而GhHOX4 RNAi株系與野生型相比沒有明顯差異。這暗示GhHOX4基因可能影響棉纖維細胞的早期起始分化及其隨后的伸長發(fā)育。棉纖維平均長度、整齊度、斷裂比強度和馬克隆值等是衡量棉纖維品質(zhì)的幾個重要指標。從棉纖維品質(zhì)檢測結(jié)果中可以看到:GhHOX4 RNAi轉(zhuǎn)基因棉花的纖維長度變短4.1%,GhHOX4 OE轉(zhuǎn)基因棉花的纖維長度變長3.9%;而棉纖維的整齊度均較高,超過84%。斷裂比強度則是GhHOX4 RNAi轉(zhuǎn)基因棉花變?nèi)?.6%,GhHOX4 OE轉(zhuǎn)基因棉花變強1.8%。這說明該基因影響棉纖維長度等關(guān)鍵品質(zhì)性狀的形成。2.GhHOX4影響棉花纖維伸長發(fā)育過程中的下游基因表達為研究轉(zhuǎn)基因棉花纖維中GhHOX4基因?qū)ο掠位虻谋磉_調(diào)控,我們選擇T2代開花后6天的GhHOX4 RNAi棉花纖維RNA樣品以及野生型RNA樣品,進行了RNA-seq測序分析,篩查陸地棉中可能受GhHOX4調(diào)控的差異表達基因。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),與野生型相比較,GhHOX4 RNAi轉(zhuǎn)基因棉花纖維中有453個基因的表達發(fā)生了改變,其中,有86個基因表達上調(diào),367個基因表達下調(diào)。這些差異表達基因主要包含一些細胞與細胞器相關(guān)基因,以及結(jié)合、催化活性、轉(zhuǎn)運活性、分子傳感器活性等相關(guān)的基因,這可能表明在棉纖維細胞起始分化及快速伸長時期細胞代謝活躍,細胞內(nèi)迅速合成及轉(zhuǎn)運纖維伸長所需要的物質(zhì),從而保證纖維細胞能夠不斷的伸長。隨之,結(jié)合差異基因的熱圖分析及已有的文獻資料發(fā)現(xiàn)了一些參與棉纖維發(fā)育的基因,可能受到GhHOX4的調(diào)控。所以,轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明GhHOX4基因可能在棉花纖維起始和伸長階段廣泛調(diào)控或影響下游基因表達而調(diào)節(jié)棉纖維伸長發(fā)育。
【圖文】：

圖１．１表皮毛發(fā)育過程（Ｑｉｎｇ邋Ｌ，Ａｏｙａｍａ邋Ｔ，２０１２）逡逑圖中分別展示了根毛、葉表皮毛、莖表皮毛、種皮表皮毛的形成過程。逡逑以葉表皮的表皮毛為例，，可以總結(jié)為：Ｒ２Ｒ３型ＭＹＢ蛋白ＧＬ１／ＭＹＢ２３與逡逑ＷＤ４０邋蛋白邋ＴＴＧ１、ＬＨ邋蛋白邋ＧＬＡＢＬＡ３（ＧＬ３）或邋ＧＬＡＢＲＡ３ＥＮＨＡＮＣＥＲ（ＥＧＬ３）逡逑組成三聯(lián)體復合物，共同激活下游的ＧＺ２基因，進而促進表皮細胞的發(fā)育逡逑

—邐邋ＧｈＨ0Ｘ２逡逑圖１．４陸地棉ＨＯＸ家族進化樹（楊霞等，２００８）逡逑陸地棉ＨＯＸ家族進化樹分析，Ｇｈ為陸地棉基因，Ａｔ為擬南芥基因。逡逑棉花的ＨＯＸ家族是ＧＺ２的同源基因，而ＨＯＸ基因總共有四個，即逡逑Ｃ＾ｉ／ＯＺ２、以及邐。多序列比對的結(jié)果顯示了邋ＧｈＨＯＸｌ、ＧｈＨＯＸ２、逡逑ＧｈＨＯＸ３以及ＧｈＨＯＸ４與擬南芥的ＧＬ２蛋白的相似性分別達到６４°／。、３６％、３９％、逡逑７逡逑
【學位授予單位】：華中師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S562

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 Takashi Aoyama;;Pathways for Epidermal Cell Differentiation via the Homeobox Gene GLABRA2:Update on the Roles of the Classic Regulator[J];Journal of Integrative Plant Biology;2012年10期

2 楊霞;侯磊;肖月華;李德謀;張國芳;裴炎;;棉花4個GL2同源基因的序列比較及表達分析[J];作物學報;2008年06期

3 上官小霞;王凌健;李燕娥;梁運生;;棉花纖維發(fā)育的分子機理及品質(zhì)改良研究進展[J];棉花學報;2008年01期

4 李學真;;漫談植物的表皮毛[J];植物雜志;1980年04期

本文編號：2661304