棉花GhCOBL9基因调控纤维次生壁发育的分子机制解析

Secondary cell wall thickening in cotton fiber determines the mature fiber quality traits, such as fiber strength, micronaire and finess. Thus, studies on cotton fiber secondary cell wall formation will significantly contribute to improving fiber quality. COBRA-Like genes, a group of plant-specific genes, play important roles in cellulose biosynthesis and deposition. In our previous work, we found that GhCOBL9 gene is preferentially expressed at secondary cell wall formation stage in cotton fiber and its expression pattern is strongly correlated with fiber strength and micronaire. Furthermore, ectopic expression of GhCOBL9 in Arabidopsis thaliana resulted in higher plant height, longer siliques and improved seed production. Based on these results, we will investigate the functions of GhCOBL9 in cotton fiber secondary cell wall formation in detail. In this project, we will create the GhCOBL9 over-expression and RNAi transgenic cotton lines. Then, the biological functions of GhCOBL9 in cotton fiber development will be elucidated via molecular, cellular and biochemical studies. We will also select the transgenic cotton lines with superior fiber qualities to provide useful germplasm for cotton breeding.

棉纤维细胞次生壁加厚决定着成熟棉纤维的品质性状，如强度、马克隆值及细度等，因此，研究棉纤维次生壁加厚对于改良纤维品质具有重要意义。CORBA-Like基因是一类植物特有的家族基因，在纤维素合成及沉积过程中具有重要作用。本实验室在前期研究中发现，GhCOBL9基因在棉纤维次生壁加厚期优势表达，且与棉纤维的强度、马克隆值等品质性状存在显著相关性。异位表达GhCOBL9基因使野生型拟南芥植株变高、果荚变长、种子产量增加。在上述研究基础上，本项目将对GhCOBL9在棉纤维次生壁加厚过程中的功能进行进一步分析。通过创制GhCOBL9过量和抑制表达的转基因棉花株系，结合分子生物学、细胞生物学及生物化学的方法分析其过量或抑制表达对棉纤维发育产生的影响，阐明其生物学作用机制，筛选出具有优良纤维品质的转基因棉花株系，为棉花品质育种提供新的种质资源。

棉纤维是重要的纺织工业原料，细胞壁合成对成熟棉纤维的产量和品质性状，如纤维长度、强度、细度等均具有重要影响。阐明细胞壁合成相关基因在棉纤维发育中的功能及作用机理，具有重要意义。在前期研究中，本实验室发现一个在棉纤维次生壁加厚期优势表达的基因GhCOBL9，关联分析表明该基因与棉纤维的强度及马克隆值性状存在显著相关性。在此基础上，本项目进一步揭示了GhCOBL9基因调控棉花植株及棉纤维发育的分子机制。通过项目研究，发现在棉花多个组织中，GhCOBL9 基因在棉纤维次生细胞壁合成期特异表达，且其在高强纤维品系的棉纤维中，在次生细胞壁合成期高量表达。通过多个载体的亚细胞定位实验，表明GhCOBL9蛋白C末端疏水结构域在加工成熟过程中确实会被切割掉，GhCOBL9蛋白可能通过信号肽引导的分泌途径定位于细胞膜上，从而发挥其生物学功能。通过酵母双杂交等实验，表明GhCOBL9蛋白可能受MAPK蛋白的磷酸化调控。拟南芥转化实验验证GhCOBL9可以促进细胞的伸长、增加次生细胞壁/纤维素的沉积，从而使植株的根长、株高、角果都长于野生型、茎秆细胞壁增厚，进一步使产量大幅提升。过量表达GhCOBL9转基因棉花植株表现出植株矮化、叶片皱缩、早衰等表型，部分RNAi干扰植株表现出叶片软化等表型。半薄切片分析表明，GhCOBL9过表达棉花株系茎中韧皮纤维组织染色更深，细胞数明显增多。与对照相比，GhCOBL9转基因棉花株系的百粒重发生显著变化，转基因材料成熟棉纤维的断裂比强度发生显著变化。纤维素结晶度分析发现，GhCOBL9基因过量表达株系及干扰株系中，纤维素的结晶度都发生了显著变化。进一步蛋白互作分析表明，GhCOBL9蛋白可能通过与GhCOBL13、GhFLA4的互作并形成蛋白复合体，在细胞膜外侧调控纤维素的沉积而发挥生物学功能，并对成熟棉纤维的断裂比强度产生影响。本项目进一步解析了岩藻糖基转移酶编码基因GhFucT4和NST-、SND-类NAC基因在调控棉花次生壁发育过程中的作用。通过上述研究，发表SCI论文3篇，培养博士研究生1名，硕士研究生1名，相关研究在国际会议作大会报告2次。