转光敏色素基因对棉花种质的创新及其功能研究

Light is very important energy source for plant growth and development. Depending on the light signal pathway of phytochrome gene, light also provide many information to regulate developmental process of plant , such as seed germination, seedling de-etiolation, phototropism, shade avoidance, stem elongation, stomata and flowering time. . Previous studies have also identified that Overexpression of phytochrome genes may change many agronomic traits in transgenic crop. For instance, Overexpression of phytochrome genes make plant height drop in rice and grain yield increase in potato, even make photosynthetic efficiency enhance in other plant. .In this study, we plan to enhance the transduction pathways of light signal and improve the agronomic traits of cotton by overexpression of phytochrome gene in cotton. Firstly,we have done many preparatory research for the transgenic cotton of overexpression phytochrome gene. Secondly,we will obtain the transgenic homozygous lines via PCR amplification and field selection. On this base,variations of agronomic traits, such as plant height, flowering time, grain yield and fiber production, were also respectively analyzed in the transgenic cottons. In addition, we will analyze the expression level of exogenous phytochrome gene and detect their function of molecular biology,such as subcellular and yeast two-hybrid. The combinational ways of molecular identification and plant breeding directly help us to evaluate the potential value of transgenic germplasm resources. The resource consist of compact plant, shade avoidance reduced, photosynthetic efficiency enhanced and fiber production increased.Lastly,we will choose the excellent transgenic lines for our research of cotton breeding in the future. .In addition, the results in this study can be applied to other crop improvement, and the new exploration may be utilized for improving the pathway of light signal transduction of other plant.

光敏色素基因是一类具有重要利用价值的基因，它能通过介导光信号来调控植物种子萌发、向光性、避荫性、茎秆伸长、叶绿体运动以及开花期等生长发育的，极有利于改良作物，转该基因的番茄、马铃薯和水稻等作物表现为植株降低、光合效率增强、籽粒增大以及产量提高等性状明显改良的一个或多个表型。本研究拟利用农杆菌介导法把光敏色素基因导入棉花中，提高植株对光的敏感性，即通过增强对光信号转导途径的调控来达到改良棉花农艺性状的目的。研究目标包括：首先，对转基因棉花的株高、开花期、落铃性、籽粒、纤维产量等性状改变或发育改良过程进行详细分析。其次，对所转基因的亚细胞定位、RNA转录、蛋白表达变化等进行研究，从而通过分子水平鉴别与田间育种相结合的方式，为选育符合株型紧凑、避荫性降低耐密植、纤维总产量增加等育种目标提供有应用价值的转基因新种质资源。另外，本研究理论成果亦可为利用光信号转导途径基因改良其它农作物进行新的探索。

光敏色素基因是一类具有重要利用价值的基因，它能通过介导光信号来调控植物种子萌发、向光性、茎秆伸长、叶绿体运动以及开花期等生长发育，在不同植物中，由于植物之间本身性状的差异，该基因功能的作用表现可能存在一定的不同；因此表现为可影响作物的植株降低、光合效率增强、籽粒增大以及产量等一个或者多个性状调控。本研究利用农杆菌介导法把光敏色素基因导入棉花中，提高植株对光的敏感性，即通过增强对光信号转导途径的调控来达到改良棉花农艺性状的目的。研究目标包括：首先，对转基因棉花的株高、开花期、落铃性、籽粒、纤维产量等性状改变或发育改良过程进行详细分析。其次，对所转基因分子生物学特征等进行研究，从而通过分子水平鉴别与田间育种相结合的方式，能够选育出农艺经济性状优良的有应用价值的转基因新种质资源。在此目标下，本研究通过把玉米光敏色素基因转入棉花R15受体，在含有basta除草剂的培养基上进行筛选，获得了抗basta除草剂的再生植株，对其T0带植株中Bar基因进行PCR检测， ZmphyA1 和ZmphyA2 分别有13株和19株转基因植株表现为阳性，表明Bar基因已经整合到再生植株中，阳性株经过南繁自交加代后，部分T2代植株表现为株高降低，叶色墨绿，生育期延长等表型。利用myc抗体对不同植株进行蛋白表达杂交表明，其中4个具有叶色墨绿的植株能够检测到大小约为155kDa外源蛋白表达的杂交条带,表明该外源基因能够在转基因植株中表达。另外，对转ZmphyA1和ZmphyA2棉花不同组织中的蛋白杂交分析表明，其蛋白在茎、叶以及苞叶中均能表达。田间测定同时表明，过表达ZmphyA1和ZmphyA2的转基因棉花，棉纤维长度缩短，其中过表达ZmphyA2的转基因棉花，与受体比较，棉花植株株高明显降低，叶片长度和宽度均变短。此外，利用0.5%除草剂basta对转基因纯合植株进行喷施表现出极好的抗性。综合以上研究结果表明，转ZmphyA1和ZmphyA2基因分别与棉花株高降低、纤维变短、以及叶色墨绿等的表型变化存在一定联系。利用该转基因植株对后续抗basta除草剂及棉花株高等农艺性状改良育种具有较好的应用价值。后续本研究将在不同光照条件下持续进行相关的分子表达对转基因棉花幼苗发育的调控作用，并对该基因表达对田间棉花不同农艺经济表型的调控机理进行分析，以期对光信号基因对棉花改良利用价值进行较为详细研究。