两个棉花LIM-结构域蛋白基因在纤维发育中的功能研究

细胞骨架在棉花纤维发育中具有重要作用，但是细胞骨架调控纤维发育的机制还不甚清楚。LIM-结构域蛋白由于能作为蛋白质识别的界面而介导蛋白间的互作，可能是一种新的微管微丝结合蛋白，在微管和微丝形成及动态变化中具有一定功能。我们在陆地棉基因组中共发现6个LIM-结构域蛋白基因，表达分析表明GhLIM2和GhLIM6两个基因在棉花雄蕊和纤维中特异表达，且两个基因的表达水平在纤维不同发育时期有明显差异，GhLIM6主要在纤维的快速伸长期表达，GhLIM2主要在纤维次生壁合成起始期表达。为了弄清两个LIM基因在纤维发育中的功能，本项目拟通过检测LIM蛋白与微管微丝的体外结合特性，在转基因纤维中超量表达和反义抑制（或RNAi）LIM基因表达，以及观测LIM蛋白与微管微丝在纤维发育过程中的动态变化和相互关系，明确两个LIM-结构域蛋白基因在纤维发育中的功能以及作用机制，为解析纤维发育分子机理提供实验证据。

细胞骨架在棉花纤维发育中具有重要作用，但是细胞骨架调控纤维发育的机制还不甚清楚。微丝是细胞骨架的重要组成成分，LIM-结构域蛋白是一种微丝结合蛋白，在微丝的功能发挥中有重要作用。本研究在陆地棉纤维中克隆了6个LIM-结构域蛋白基因，根据这些基因的表达水平可以分为两大类，一类基因在棉花各个器官和组织中都有表达，另一类（GhLIM2和GhLIM6）是在棉花纤维和雄蕊中特异表达。两个基因的表达模式在纤维不同发育时期有明显差异，GhLIM6 主要在纤维的快速伸长期表达，GhLIM2 主要在纤维次生壁合成起始期表达。GhLIM2和GhLIM6在体外与微丝具有结合活性，是一种微丝结合蛋白。而且能够促进肌动蛋白的聚合和微丝成束，能够提高微丝的稳定性。通过转基因棉花，在纤维中提高和抑制目标基因的表达，分析了GhLIM2和GhLIM6在棉花植株和纤维发育中的功能。在转基因纤维中提高GhLIM6基因的表达促进纤维细胞的伸长，纤维细胞中微丝束变得粗长；相反抑制该基因的表达则抑制纤维细胞伸长，细胞中微丝束数量减少，变得细短。说明GhLIM6基因在纤维细胞伸长过程中具有重要作用，可能通过影响纤维快速伸长期微丝的排列组织方式而调控细胞伸长。在转基因纤维中超量表达GhLIM2基因和抑制该基因的表达都抑制纤维细胞的伸长，超量表达GhLIM2基因使纤维微丝束变粗，曲折增多；抑制GhLIM2基因微丝束变细，曲折增多。结合GhLIM2基因主要在纤维伸长逐渐停止，次生壁开始沉积时高量表达，提高GhLIM2的表达可能提前了次生壁的沉积，导致纤维变短；降低GhLIM2的表达可能降低了纤维的伸长速率，从而使纤维变短。这些结果证明GhLIM2和GhLIM6基因在纤维发育中具有重要作用，其主要作用机制是调控微丝骨架的排列组织方式进而影响纤维的伸长和次生壁沉积。