棉花DELLA蛋白整合激素信号调控纤维生长发育的功能

Cotton is the leading natural fiber crop in the world.Phytohormones play impotant roles in controlling fiber development.Increasing the levels of GA, IAA and BR by up-regulating the corresponding synthase genes promotes fiber growth and enhances cotton productivity and fiber quality.DELLA protein is a key negative regulator in GA signaling pathway inhabiting GA responses in plants.Accumulating evidences suggested that DELLA protein functions as an integrator of multiple hormonal and environmental signals to regulate plant growth.We found that the phytohormones promoting fiber growth (GA, IAA and BR) could significantly up-regulate the expression of DELLA protein genes.This suggested that DELLA protein could be an important limiting factor in the strategies to improve cotton productivity and fiber quality via regulation of hormone synthase genes in cotton ovule and fiber.The present project aims to elucidate the roles of DELLA protein in controlling fiber growth and its functions in the hormonal regulatory network of cotton fiber at the molecullar and genetical level.Revealing the DELLA-centered molecular regulatory network in cotton fiber may help to further improve cotton productivity and fiber quality by conbining the positive effects of different phytohormones, and facilitate to clarify the molecular mechanism of cotton fiber development and plant cell growth.

棉花是世界上最重要的纤维作物。植物激素是棉花纤维发育的重要调控因子，上调GA、IAA、BR的合成酶基因能提高相应的内源激素水平、促进棉花纤维生长、改良棉花的产量和品质。DELLA蛋白是GA信号途径中关键的负调控因子，能整合多种激素和环境信号调控植物生长发育。前期研究发现GA、IAA、BR在促进棉花纤维生长的同时，也能显著上调棉花胚珠和纤维中的DELLA蛋白基因的表达，暗示DELLA蛋白是利用激素合成酶基因改良棉花产量和品质的一个重要限制因素。本项目拟从分子生物学和遗传学水平全面研究棉花DELLA蛋白整合植物激素信号调控棉花纤维生长发育的功能，揭示以DELLA蛋白为中心的棉花纤维生长发育分子调控网络。项目的完成可为综合不同激素的正向效应进一步提升棉花纤维产量品质水平奠定理论和材料基础，为最终阐明棉花纤维生长发育和植物细胞生长调控的分子机制提供实验证据。

GA是一种重要的植物激素，促进棉花纤维的伸长和次生壁沉积，是棉花纤维产量品质的重要影响因素。DELLA蛋白是GA信号途径的关键负调控因子，GA通过介导DELLA蛋白的降解，解除其对GA反应基因的抑制，促进植物生长发育。在全面鉴定克隆棉花DELLA蛋白编码基因的基础上，本项目发现棉花等植物中存在两大类DELLA蛋白（D1和D2类），两类蛋白有类似的功能。在棉花中D1类DELLA蛋白表达水平高，是主要GA信号调控因子。转基因分析表明，在棉花纤维中抑制DELLA蛋白基因的表达，促进纤维发育，提高成熟籽棉衣分；而上调DELLA蛋白使衣分下降，成熟纤维次生壁变薄，马克隆值降低。转录组分析表明，上调DELLA蛋白可能通过推迟纤维次生壁合成的起始最终抑制了次生壁的沉积和发育。通过酵母双杂交试验，我们鉴定了一批DELLA互作蛋白，包括乙烯调控关键转录因子EIN3、植物特异的TCP转录因子，以及1个与次生壁合成调控相关的NAC蛋白。EIN3的研究表明，棉花DELLA蛋白可以通过与转录因子的互作抑制其转录激活作用，进而调控相关基因的表达。我们的研究揭示了以DELLA蛋白为中心的棉花纤维生长发育分子调控网络，为全面阐明GA调控棉花纤维生长发育的分子机制提供了试验证据，为综合不同激素的正向效应进一步提升棉花纤维产量和品质的水平奠定理论基础。