GhMADS43在陆地棉开花中的功能及调控机制研究

MADS-box gene family is one of the most indispensable transcription factors playing important roles in plant flowering. Reports about MADS-box gene in cotton were relatively limited, and the mechanism in regulating flowering is unclear. In our previous studies, a major effect QTL related to early traits have been identified by linkage mapping and association analysis. And we screened out one candidate gene, GhMADS43, which highly expressed in young leaves of early-maturing cotton and its over-expression could accelerate Arabidopsis bolting. Importantly, we found one SNP significantly related with cotton earliness in the promoter sequence of GhMADS43.Based on these results, we aim to (1) find the haplotype with earliness-related traits in GhMADS43 by sequence alignment between early-maturing and late-maturing upland cotton in the gene and its promoter; (2) analyze the gene function in cotton by over-expression and VIGS analysis; (3) and figure out the target gene(s) or protein(s) and the regulation mechanism by yeast single hybridization, transcriptome sequencing and yeast double hybridization. We hope to provide favorable gene resource and theory basis for new early-maturing cotton cultivar creation.

MADS-box基因是一类重要的转录因子，在植物调控开花中起着重要作用。然而有关棉花MADS-box基因的研究相对较少，其调控开花的机制仍不清楚。我们前期利用连锁作图和关联分析，定位到一个早熟相关的主效QTL，在QTL区域内筛选到一个在早熟陆地棉幼叶中高表达的MADS-box基因，该基因的启动子区域存在一个与早熟性状显著关联的SNP；异源过表达该基因能使拟南芥提前抽薹开花，所有这些表明该基因是早熟相关主效QTL的候选基因，命名为GhMADS43。本项目拟在此基础上，开展早晚熟品种间GhMADS43及其启动子区域基因组序列的比对分析，挖掘该基因与早熟性状相关联的单倍型；利用VIGS及过表达棉花进一步分析该基因功能；并通过酵母单杂、转录组测序及酵母双杂的实验，确定该基因的上下游靶基因及互作蛋白，阐明该基因参与陆地棉开花的调控机制，为创制棉花早熟新种质材料提供基因资源及理论依据。

MADS-box基因是一类重要的转录因子，在植物调控开花中起着重要作用。然而有关棉花MADS-box基因的研究相对较少，其调控开花的机制仍不清楚。本项目组利用连锁作图和关联分析，定位到一个早熟相关的主效QTL，在其QTL区域内筛选到一个在早熟陆地棉幼叶中高表达的MADS-box基因，利用RNA-Seq和qRT-PCR，在其主效QTL区段内鉴定到一个与开花时间相关的候选基因GhMADS43。在此基础上，利用最新组装的陆地棉参考基因组，挖掘了分布在陆地棉全基因组上所有MADS-box家族基因，并完成了该家族基因组织特异性表达分析。开展了候选基因GhMADS43及其启动子区域的序列比对、基因分型及关联分析等研究内容，确定与早熟性状显著关联的单倍型及其标记。异源过表达GhMADS43基因能使拟南芥提前抽薹开花5-8d，在棉花中沉默该基因表现出晚花5d的表型。重要的是，在棉花中遗传转化过表达GhMADS43，获得了11个阳性株系，比转基因受体提前约5d开花，并创制早熟陆地棉转基因新种质3份，为早熟棉分子育种提供新种质。通过酵母单双杂等实验，发现GhMADS43能够直接与GhFT和GhSOC1蛋白直接相互作用调控陆地棉开花，初步阐明该基因参与陆地棉开花的调控机制。此外，本课题组还利用160份中国早熟陆地棉品种系，采用ML-GWAS和SL-GWAS相结合的方法，挖掘了控制早熟陆地棉纤维品质和产量性状的主效QTL位点及候选基因，为今后分子改良早熟陆地棉纤维品质和产量性状奠定基础。本项目的研究成果在Theoretical and Applied Genetics、Industrial Crops and Products等在经典杂志上发表，标注本项目资助的论文共8篇，其中6篇为第一标注，2篇为第二标注。本项目资助发表SCI论文6篇，中文核心期刊2篇，获得授权国家发明专利2件。