乙烯、GA和超长链脂肪酸调控棉纤维发育的分子机制研究

本项目主要研究植物激素乙烯、GA和超长链脂肪酸在棉纤维发育过程中的相互及作用机理，确定植物激素或代谢产物参与信号转导和转录激活的具体细节，深入阐明纤维发生、纤维细胞伸长及初生壁合成的调控规律。我们还将在成功解析植物激素介导棉纤维细胞形成机制的基础上，研究植物激素参与纤维细胞伸长和初生壁合成的分子模型，全面阐述棉纤维细胞发生发育规律，阐明乙烯、赤霉素以及超长链脂肪酸相互作用的交叉点，获得这些激素或初生代谢产物之间发挥关键作用的连接子或桥梁分子。深入探索植物体内超低含量植物激素的定性与定量检测方法，研究超长链脂肪酸在植物细胞内的运输与信号转导机制，获得调控棉纤维细胞长度与强度的关键基因，为最终提高棉纤维产量和品质提供理论依据以及原始材料。我们还将以拟南芥为材料，深入研究UER1，UGD1，UGP1，GAE1和BARD1，WOX5等关键功能基因在根毛和主根伸长中的作用。

比较蛋白组学发现并鉴定了纤维快速伸长期野生型与突变体差异的104个蛋白点，发现核苷糖转换代谢途径显著上调纤维伸长。鉴定与核苷糖转换相关的7个蛋白点，由四个基因UER1、UGD1、UGP1和UGP2编码的，其转录本和蛋白质水平都在棉纤维快速伸长期高调。乙烯和C24:0能促进UER1、UGD1和UGP1蛋白和转录水平的显著提高，暗示二者能够通过诱导某些特殊细胞壁多糖的合成，来促进纤维细胞的伸长。与胚珠组织相比，快速伸长的纤维初生细胞壁含有显著多的Ara、Rha和GalA，而Xyl和Glc较少。在组培液中添加合成果胶多糖的前体UDP-Rha、UDP-GlcA和UDP-GalA能显著促进纤维的伸长，而加入半纤维素前体UDP-Xyl或游离的单糖对纤维伸长没有影响。14C标记的同位素实验证明组培液中的核苷糖可以被胚珠吸收用来合成细胞壁，且对果胶前体核苷糖的吸收显著高于其它。合成果胶多糖前体核苷糖UDP-GalA的关键基因GAE3在纤维快速伸长期也显著高调。.拟南芥对应基因突变体uer1-1和 gae6-1根毛较短，这种表型能够被拟南芥或棉花对应基因所互补。培养基中添加UDP-Rha也能够回复突变体uer1-1的表型，添加UDP-GalA亦能回复gae6-1的表型。在拟南芥乙烯信号突变体ein2-5和VLCFA合成突变体cut1植株内，AtUER1和AtGAE6基因的表达丰度较野生型低。UDP-Rha或UDP-GalA处理能够一定程度回复ein2-5和cut1短根毛的表型，而二者共同作用能将这两种突变体恢复到与野生型相同的长度，表明乙烯和VLCFA（C24:0）能够调控UER和GAE的表达，从而导致棉纤维和拟南芥根毛的伸长。.赤霉素（GA）能够明显促进纤维伸长和胚珠膨大，但不促进乙烯释放。赤霉素信号途径可能位于乙烯下游，通过调控一些转录因子的表达、脂肪酸代谢和合成来促进纤维的伸长。.通过对棉花功能基因组的研究发现，对棉纤维发育至关重要的乙烯合成关键基因ACO转录水平在几乎无纤维的雷蒙德氏棉中竟然高出陆地棉数百倍，暗示着乙烯在棉纤维的发育过程中起着复杂的调控作用。而其他基因如超长链脂肪酸合成关键基因KCS、蔗糖合成酶基因Sus和调控纤维起始和伸长的转录因子MYB及bHLH等，都在陆地棉中相对于雷蒙德氏棉有显著的表达上调。