棉花耐盐相关基因GhADH的分子机制探究

Soil salinization affects the ecological environment and agricultural production seriously. Based on the advantage of salt tolerance in cotton, mining excellent stress resistance genes and exploring their molecular mechanism are of great significance for the research of salt tolerance mechanism and breeding of resistant varieties. In previous studies, Genome-Wide Association Studies was performed using CottonSNP80K array, and SNPs significantly associated with salt tolerance related traits were identified. Combined with salt-induced transcriptome analysis, a cotton salt-responsive gene GhADH, encoding alcohol dehydrogenase, was obtained for further analysis. Expression pattern analysis, subcellular localization and VIGS experiments were conducted and the results implied that GhADH gene played important roles in salt stress response. Based on these results, in this project, we will further verify the molecular mechanism of GhADH by developing overexpressing and CRISPR/Cas9 transgenic cotton lines. The phenotypic and physiological traits and RNA-seq data will be analyzed to elucidate the regulation network of GhADH gene in the response to salt stress. Furthermore, yeast two-hybrid, ChIP-seq, BiFC, EMSA will be conducted to discover and verify the key regulation factors. This project will reveal the molecular mechanism of GhADH gene in response to salt stress and provide new germplasm resources for cotton abiotic resistance breeding.

土壤盐碱化严重影响生态环境和农业生产。植物对盐胁迫的响应由多基因调控，是一个极其复杂的过程。以棉花耐盐优势为基础，发掘优异抗逆基因，探究其分子机制，对作物的耐盐机制研究和抗逆品种培育具有重要意义。前期利用棉花CottonSNP80K芯片对耐盐性状进行全基因组关联分析，鉴定出与耐盐性状显著关联的位点，结合转录组分析，获得一个棉花盐胁迫响应基因GhADH。通过表达模式、亚细胞定位及VIGS分析，表明该基因在盐胁迫响应中起重要作用。本项目在此基础上，通过构建过表达和CRISPR/Cas9载体进行转基因功能验证。观察并测定转基因株系盐胁迫后的表型及生理特征变化，结合RNA-seq分析，阐明GhADH基因在盐胁迫应答中的调控网络。同时利用酵母杂交、ChIP-seq、BiFC、EMSA等系统进一步丰富并验证关键调控因子，揭示GhADH基因在盐响应过程中的分子作用机制，并为棉花抗逆育种提供新的种质资源。

棉花虽然作为一种相对耐逆的作物，但是随着气候变化及环境恶化，高盐、干旱、黄萎病等逆境胁迫严重制约着棉花的产量与品质。深入探究并挖掘棉花盐、旱、病抗性基因，明确其作用机制，不仅能够为棉花抗逆功能研究提供理论基础，而且可为棉花抗性育种提供关键的候选基因和资源材料。在植物中，乙醇脱氢酶（ADH）在抵抗生物和非生物胁迫中发挥重要作用，然而在棉花中的报道相对较少。本研究系统分析了棉花中ADH基因家族、表达及诱导特征，发掘与胁迫相关的重要基因并开展功能分析。通过家族分析，在雷蒙德氏棉、亚洲棉、陆地棉和海岛棉4个栽培棉种基因组中分别筛选出18、17、28和31条完整的ADH基因。通过聚类分析将棉花ADH家族基因分为5类，其中Ⅰ型ADH数目最多。转录组分析显示，ADH家族基因在不同组织器官或逆境诱导下表达量差异较大。在陆地棉中，GhADH2和GhADH6在营养器官中表达量高，同时受到盐、旱及黄萎病三种胁迫诱导上调表达。在海岛棉中，同样发现GbADH2与GbADH6在根、茎、叶中高表达，同时受萎病菌诱导上调表达。另外，qPCR分析显示GhADH2与GhADH6两个基因受ABA、SA、JA及过氧化氢在不同的时间点诱导上调表达，表明棉花ADH家族中ADH2和ADH6在响应逆境过程中具有较为重要的作用，并且可能参与不同激素途径的生理过程。VIGS实验结果显示，在陆地棉中沉默GhADH2与GhADH6，盐处理的植株生物量显著降低，干旱处理的植株失水率显著提高，表现出抗逆性下降的系列表型特征。在海岛棉中沉默GbADH2与GbADH6，植株对黄萎病的抗性明显下降。以上结果表明ADH家族基因在棉花抗逆过程中具有重要作用，其中，ADH2与ADH6基因能够响应众多逆境胁迫和激素信号诱导，在棉花生物和非生物胁迫中扮演重要角色。