绿色棉纤维中木栓质途径的调控及其对纤维发育和品质的影响

Cotton is the leading natural fiber crop in the world, and it is essential to improve fiber quality both in cotton breeding and production. Green cotton synthesizes and accumulates suberin compounds in the developing fibers, which results in colored mature fiber and drastically reduced fiber qualities as well. Previously, we cloned the green fiber gene GhLg, which encoded a MYB transcription factor, and identified a series of suberin-related genes by comparing the transcriptomes of transgenic green fiber and white control. This project plans to analyze the biological functions of the suberin-related genes identified in the green fiber and to dissect the regulatory relatedness of GhLg to the downstream suberin structural genes. Furthermore, we will modulate suberin biosynthesis and accumulation in transgenic cotton fibers via key suberin genes to reveal the influence of suberin accumulation on fiber development and fiber quality. The present project will facilitate to uncover the molecular basis of sunerin biosynthesis and regulation, and its effects on fiber development and quality, and provide the foundation for gene engineering of fiber quality of cottons, including naturally-colored cottons.

棉花是世界上最重要的天然纤维作物，提高纤维品质是棉花育种和生产的核心目标。绿色棉在纤维中合成和沉积木栓质成分，在使成熟纤维着色的同时也大大降低了棉花纤维的品质。前期课题组克隆了编码MYB转录因子的绿色纤维基因GhLg，并通过转基因绿色纤维和白色纤维对照的转录组比较鉴定了一系列在绿色纤维中显著上调的木栓质相关基因。本项目拟利用VIGS技术分析绿色纤维中木栓质相关基因的生物学功能并解析GhLg与下游木栓质结构基因的调控关系，在此基础上，通过木栓质关键基因的转基因调控分析木栓质合成和沉积对棉花纤维发育和品质形成的影响。项目的完成，有望深化对植物木栓质合成和调控的分子机制的认识，揭示木栓质影响棉花纤维发育和品质的分子基础，为包括彩色棉在内的棉花纤维品质基因工程改良奠定基础。

棉花是世界上最重要的天然纤维作物，提高产量和纤维品质是棉花育种和生产的核心目标。绿色棉是目前实现商业化应用的两种天然彩色棉之一。绿色棉在纤维中合成和沉积木栓质，在成熟纤维呈现绿色的同时也大大降低了棉花产量和纤维品质。项目组前期克隆了编码MYB转录因子的绿色纤维基因Lg，并通过转基因绿色纤维和白色纤维对照的转录组比较鉴定了一系列在绿色纤维中显著上调的木栓质相关基因。在此基础上，项目组利用VIGS 技术分析绿色纤维中木栓质相关基因与纤维绿色呈色的关系，并解析了Lg与下游木栓质结构基因的调控关系。观察发现，转基因绿色纤维种积累大量木栓质。Lg与木栓质结构基因启动子区的AC-I~III基序直接结合并激活下游基因的转录。木栓质途径的抑制导致绿色纤维呈色变弱或消失，显示木栓质合成与纤维绿色呈色是偶联在一起的。在纤维次生壁合成期，木栓质合成和沉积的同时纤维素的积累和次生壁增厚受到抑制，可能是绿色纤维产量品质降低的原因。进一步，选取两个转录因子（WRKY43和NAC58）和两个结构蛋白（GRP和CASP-like）开展了进一步分析。结果显示，WRKY43和NAC58可以与Lg互作并协同激活下游结构基因。上调NAC58导致纤维次生壁合成抑制，衣分降低，可能是绿色棉纤维产量品质降低的另一原因。上调表达GRP和CASP-like基因均促进拟南芥和棉花茎的次生壁沉积加强，并并促进拟南芥的耐旱和耐盐性。特异上调表达和敲除CASP-like可以分别促进和抑制棉花纤维次生壁发育，显示这些基因也参与白色纤维次生壁的发育。经过4年的研究，项目明确了Lg调控木栓质结构基因的的分子机制，揭示了绿色纤维中木栓质合成和积累影响棉花纤维次生壁发育及纤维产量品质形成的分机理，较全面地完成了项目设定的研究目标，同时也为植物次生壁结构及主要大分子间的关系研究开辟了新的领域。