微管结合蛋白CLASP在棉花纤维发育和品质形成中的作用及分子机制研究

Cotton fiber is an important natural materials for the textile industry. The genetic improvement of fiber quality is the primary objective of cotton breeding. Identification and characterization of cotton genes involved in fiber development and investigating the molecular mechanism of fiber formation will provide a foundation to improve cotton fiber quality by genetic engineering techniques. CLASP protein is a microtubule-associated protein that can be specifically binding to the microtubules and participate in the regulation of the structure and function of the microtubules. CLASPs play a role in the cell wall formation and cell elongation in plant. It has been showed that the overexpression of GhCLASP2, predominantly expressed in cotton fibers, could significantly increase the epidermal density and number of trichome branches in Arabidopsis thaliana. It was suggested that CLASP plays an important role in the development of cotton fiber. In this study, the function of CLASP genes that are preferentially expressed in fiber would be explored. The effects of overexpression, RNA interference and gene-editing of GhCLASP2 and GhCLASP3, predominantly expressed in the fibers, on fiber quality would be clarified. The subcellular localization and interaction protein of CLASP will be also analyzed. This study will help us to reveal the function and molecular mechanism of CLASP involved in cotton fiber development, and it will provide the possible approach for improving cotton fiber quality using of GhCLASP gene by genetic operations.

棉纤维是纺织工业重要的天然原料，提高棉纤维品质一直是棉花育种的主要目标。分离棉纤维发育相关基因并解析其形成的分子机制，可为利用基因工程手段提高棉纤维的品质提供依据。CLASP蛋白是一种能够特异地与微管结合，参与调节微管结构与功能的微管结合蛋白(MAPs)，在植物细胞形成、细胞伸长等方面起着关键作用。项目组在前期研究中发现，棉纤维优势表达的GhCLASP2基因过量表达能显著增加拟南芥表皮密度和毛分支数，暗示GhCLASP可能在棉纤维发育和品质形成中有重要作用。本研究拟以棉纤维细胞优势表达CLASP基因为研究对象，通过对纤维优势表达GhCLASP2 和GhCLASP3基因过量、抑制表达和基因编辑后对转基因棉纤维品质影响的分析，以及对CLASP蛋白的亚细胞定位和相互作用蛋白的分析，揭示CLASP在棉纤维发育过程中的功能与作用机制，并探讨通过对GhCLASP基因遗传操作来提高棉纤维品质的可能性。

棉花是纺织工业天然纤维的主要原料，提高棉纤维品质一直是棉花育种的主要目标。分离棉纤维发育相关基因并解析棉纤维形成的分子机制，可为利用基因工程手段提高棉纤维的品质奠定基础。CLASP蛋白(CLIP-Associated Proteins)是一种能够特异地与微管结合，参与调节微管结构与功能的微管结合蛋白。本研究通过生物信息学分析及鉴定，发现棉花中存在8个GhCLASP基因，qRT-PCR分析表明GhCLASP2在棉花纤维中优势表达，特别是在棉花纤维发育过程中的次生壁加厚期（27 DPA和30 DPA）的纤维中表达水平最高，表明GhCLASP2参与棉花纤维发育调控，特别是在次生壁加厚期，和棉花纤维品质形成相关。亚细胞定位和与微管共定位表明，GhCLASP2定位在细胞中的微管上，可能通过调控微管来参与细胞内物质的运输行使其功能。拟南芥中异位表达GhCLASP2使叶片表皮毛分支数目增多，表明其在表皮毛发育中可能起关键作用。与拟南芥clasp-1突变体的互补研究表明，GhCLASP2能够恢复拟南芥clasp-1突变体表皮毛、下胚轴和根系的表型。与对照YZ-1棉花株系相比，过表达GhCLASP2转基因株系棉纤维的强度显著的增强了，而RNAi转基因株系表现出植株矮小、节间缩短、柱头异常，雄蕊无花粉的表型。茎细胞切片观察发现，RNAi株系皮层细胞纵向伸长受到抑制。这些现象与拟南芥clasp-1突变体的部分表型相似。推测是由于GhCLASP2基因在棉花中行使着重要的功能，抑制其表达可能会使棉花生长代谢过程受阻，引起了转基因植株的矮化及不育。一些已经明确与棉花纤维发育相关基因在过表达GhCLAS2转基因株系棉花纤维中的转录水平也发生了变化，这些数据表明GhCLASP2的过表达可能改变与纤维发育相关的基因的表达水平，从而促进棉花纤维发育。