GhGGB调控棉花抗旱功能及其分子作用机制的研究

Cotton is one of important economic crops in China. It is very suitable for the growth of cotton in Xinjiang. However, limited water resources restrict the development of this advantage seriously. Therefore it has important practical significance to develop drought-resistant and water-saving cotton. It is more economic and effective to develop drought-resistant cotton by transgenic breeding than conventional cross breeding. However, the method has caused biological safety and genetic stability, which are two important limiting factors in the way of transgenic breeding. Therefore it is necessary to change the way of thinking in order to solve the above problems. .Protein prenylation modification plays a important negative regulatory role in ABA-mediated stomatal closure. The GGB loss-of-function mutants enhanced drought resistance without defects in development and seed yield in Arabidopsis. The project will adopt a new thought of breeding. Firstly, we will knockout GhGGB using genome editing technology in cotton and then validate its function and elucidate its regulatory molecular mechanism in cotton adaptation to drought, which will lay a solid theoretical foundation for develop drought-resistant and water-saving cotton based on the GGB-regulatory pathway. The smooth implementation of this project will not only provide new drought-tolerant and water-saving germplasm for cotton breeding but also remove the above two barriers.

棉花是我国重要的经济作物，在新疆种植棉花具有得天独厚的优势。然而有限的水资源严重限制了这一优势的发挥，因此培育抗旱节水棉花具有重要的现实意义。棉花转基因育种是一种普遍采用的抗旱分子育种方法，但其所带来的生物安全性和遗传稳定性问题是育种过程中的两个重要限制因素，所以需要改变思路，以解决上述问题。.蛋白异戊二烯化修饰在ABA促进气孔关闭作用中扮演重要的负调控角色。拟南芥蛋白异戊二烯化修饰酶基因AtGGB突变后，抗旱性明显增强但无生长发育和种子产量方面的缺陷。本项目将采用新的育种思路，首先利用已建立的棉花基因组编辑技术，靶向获得棉花GhGGB基因的突变体，然后研究其调控抗旱的功能，并进一步揭示其调控抗旱的分子机制，为利用GGB的抗旱调控途径，培育抗旱棉花新品种奠定坚实的理论基础。本项目的顺利实施能为棉花抗旱节水育种创制新的种质资源，同时有效解决上述两个问题。

棉花是我国重要的经济作物和纺织工业原料，在我国的国民经济中起重要作用。新疆光热资源丰富，植棉经济效益较高，使新疆成为我国最大的棉花种植基地。但由于新疆地处内陆地区，常年干旱缺水，水资源的不足严重制约了新疆棉花的扩大生产，棉花的生产优势没有得到充分发挥。因此，发掘棉花抗旱相关基因并研究其抗旱分子机制，在棉花抗旱节水育种上具有重大的意义。蛋白异戊二烯化修饰在ABA促进气孔关闭作用中扮演重要的负调控角色。拟南芥蛋白异戊二烯化修饰酶基因AtGGB突变后，抗旱性明显增强但无生长发育和种子产量方面的缺陷。因此研究棉花GhGGB调控抗旱的功能，并进一步揭示其调控抗旱的分子机制，为利用GhGGB的抗旱调控途径，培育抗旱棉花新品种奠定坚实的理论基础。主要研究结果：.（1）在陆地棉中克隆了1个GhGGB基因，构建GhGGB基因的互补表达载体，转入拟南芥ggb突变体，观察干旱处理下表型并测定生理指标。Col-0和转基因GhGGB植株表型一致，表现抗旱性弱，拟南芥ggb突变体表现出很强的抗旱性。Col-0和GhGGB植株各种生理指标变化保持一致，无明显差异。以上结果表明棉花GGB基因功能互补了拟南芥ggb突变体。.（2）利用VIGS技术沉默GhGGB基因，获得基因沉默植株。干旱处理下观察沉默植株表型和测定气孔大小、电解质渗透率、相对含水量、游离脯氨酸和丙二醛含量、可溶性糖和叶绿素的变化。GhGGB沉默植株在干旱处理中抗旱性明显强于对照组，进一步验证了GGB基因为抗旱负调控因子。.（3）在陆地棉中克隆了5个GhROP基因，利用双分子荧光互补技术检测GhGGB与5个GhROPs蛋白在植物体内都有互作关系。利用GST pull down技术进一步验证GhGGB蛋白与GhROP1、GhROP8均有相互作用。同时利用该技术进一步检测GhGGB与GhROP1互作的关键位点，结果说明GhROP1蛋白碳末端193位的半胱氨酸（Cys），195位的异亮氨酸（Ile）以及196位的亮氨酸（Leu）与GhGGB互作中起到一定的作用。.（4）利用酵母三杂交系统检测GhGGB与GhPLP-GhROP1和GhPLP-GhROP8蛋白的互作关系，结果表明GhGGB可以与GhPLP-GhROP8发生相互作用，与GhPLP-GhROP1不能互作。