棉纤维发育相关的两个蔗糖合成酶基因GaSuS4和GaSuS7的功能研究

蔗糖合成酶是调控植物蔗糖代谢的关键酶之一，对植物的生长发育至关重要。研究表明大多数植物中都存在着多个编码蔗糖合成酶的基因。棉花中的蔗糖合成酶与棉纤维发育、纤维素合成密切相关，但到目前为止对棉花蔗糖合成酶编码基因的克隆和功能研究还相对较少。本研究前期通过分子克隆、比较基因组学等途径，已经从亚洲棉中克隆到7个编码蔗糖合成酶的基因（GaSuS1-7），其中有6个在棉纤维发育过程中有不同程度的表达。本项目将在此基础上重点对其中两个在纤维中高量表达的蔗糖合成酶基因（GaSuS4和GaSuS7）进行功能研究。首先通过荧光定量分析、RNAi、超量表达和启动子融合GUS报告基因等技术鉴定这两个蔗糖合成酶基因的时空表达模式和生理功能；再通过启动子不同缺失片段的功能分析，筛选GaSuS4或GaSuS7启动子中调控纤维表达的作用元件，为进一步阐明蔗糖合成酶调控棉花纤维发育的分子机制提供理论依据。

蔗糖是高等植物光合作用的主要产物，不仅为各种代谢过程提供碳源和能量，同时也控制着库器官的生长和发育。植物源器官中的蔗糖只有经过转化酶或蔗糖合成酶催化形成己糖磷酸后才能向库器官转移并行使各种生化功能。蔗糖合成酶具有分解和合成蔗糖的双重功能，在调控蔗糖代谢、调节淀粉和纤维素的合成、参与细胞分化与细胞壁建构以及提高植物抗逆性等方面途径中起着至关重要的作用。我们在本项目实施过程中从亚洲棉（A2）和二倍体野生棉种雷蒙德氏棉（D5）、异常棉（B1）、斯特提棉（C1）以及一个棉花近缘种kirkii基因组中各克隆到7个编码蔗糖合成酶的同源基因（分别命名为Sus1-7），并通过RACE技术克隆到这些基因在亚洲棉中的cDNA全长序列。分析显示Sus1-7在不同棉种中的内含子位置、数量、剪接方式以及编码区和内含子序列都相当保守。表达模式分析表明亚洲棉GaSus1-7在不同组织和纤维不同发育时期具有部分重叠和特异性的表达特征。其中GaSus1、GaSus3、GaSus4和GaSus5在开花后15天的纤维中有较高的表达，而GaSus7在花瓣中表达量最高，推测GaSus7可能在花器官发育中起重要的作用。GaSus4与GaSus3在进化关系上较近，两个基因的表达模式也比较类似，即在开花后0d到开花后10天的纤维中的表达量逐渐降低，但到开花后15天的表达量急剧上升，到开花后20天的表达量又显著降低，推测GaSus4与GaSus3的功能与棉纤维的延伸和次生壁的合成密切相关。在亚洲棉茎的cDNA文库中我们克隆到GaSus4的两个转录本（分别命名为GaSus4.1和GaSus4.2），两者序列只相差一个81 bp的内含子。表达分析初步显示该内含子可能存在一定的调控作用。在拟南芥中超表达GaSus4.2几乎不影响拟南芥生长和叶片表皮毛的发生，但部分转基因株系的花序轴上部和花柄器官出现异位毛生长。超表达另外一个蔗糖合成酶基因GaSus3也能显著增加花序轴上部和花柄器官异位毛发生，并能显著增强转基因拟南芥植株的耐盐性。此外，通过构建草棉（A1）x亚洲棉（A2)的F2代作图群体，我们将Sus4和Sus5定位到A3染色体控制光籽和茎杆茸毛发育的Sma4基因（一个HD-ZIP转录因子，待发表数据）的染色体区段附近。