棉花纤维细胞次生壁发育的转录调控研究

Cotton is the most important fiber crop and is a mainstay of economy in China. Cotton fibers are extensively used in textile industry. NAC and KNOX transcription factors may play important roles in plant secondary cell wall development.We identified NAC1, NAC2, KNL1 and other transcription factors in cotton, and demonstrated they are specifically or prodominantly expressed in cotton fibers.Furthermore, KNL1 expression is regulated directly by NAC1 in cotton fibers. Based on our previous research progresses, this project plan to investigate the roles of cotton fiber-specific NAC1/2 and NAC1-controlled KNL1 and other transcription factors in secondary cell wall formation and modification of fiber cells. We will study how these transcription factors modulate the proteins involved in cell wall biosynthesis, and interacted with some transcription factors, so that we can elucidate the regulation mechanism of cotton fiber cell wall development. This study will provide new scientific data in the cell wall biosynthesis of cotton fibers for understanding molecular mechanism of cotton fiber development, and for molecular breeding of fiber quality improvement.

棉花是我国最重要的经济作物，棉纤维广泛应用于纺织工业及其相关产业。研究发现，NAC及KNOX等转录因子家族成员对植物细胞次生壁发育可能具有重要调控作用。我们克隆鉴定了棉花NAC1和NAC2及KNL1等基因，并证明它们都在棉纤维细胞次生壁发育时期特异表达，而且KNL1可能直接受到NAC1调控。本项目拟系统地探讨棉花NAC1/2以及受其调控的KNL1等转录因子在纤维细胞次生壁发育中的作用。通过研究这些转录因子对棉纤维细胞次生壁发育相关的重要基因(蛋白)的调控作用，探讨它们是否与其他调节因子及细胞壁合成相关酶蛋白等共同组成一个复杂的转录调控网络，决定棉纤维细胞壁发育和纤维品质。本项目试图揭示NAC转录因子介导的棉纤维细胞次生壁发育的信号调控途径，为棉纤维发育的分子机制研究提供重要科学资料，同时也为棉纤维品质改良的分子育种提供具有应用价值的转基因棉花材料。

棉花是我国最重要的经济作物，棉纤维广泛应用于纺织工业及其相关产业。NAC蛋白是高等植物中所特有的一类转录因子。我们鉴定了7个在棉纤维细胞次生壁发育时期特异或优势表达的NAC转录因子(命名为GhFSN1–7)，着重研究了GhFSN1在棉纤维细胞次生壁发育中的转录调控功能。GhFSN1定位于细胞核中，具有转录激活活性，能够形成同源或异源二聚体。获得该基因过量表达和RNAi转基因棉花植株及其后代株系。分析表明，GhFSN1过量表达转基因棉纤维细胞次生壁显著增厚，纤维强度增加，但长度有所减少。RNAi棉花纤维表型变化不明显，可能是由于其他FSN基因在棉纤维发育过程中功能冗余所致。转录组分析表明GhFSN1 激活或抑制许多下游基因的表达，影响棉纤维细胞次生壁发育。GhFSN1能够结合在自身启动子的NBS顺式元件上，激活自身基因表达。GhFSN1也能够结合在其他靶基因GhFNS1、GhKNL1、GhMYBL1、GhGUT1、GhDUF231L1 和 GhIRX12启动子的NBS顺式元件上，调节这些下游基因的表达，参与棉纤维细胞次生壁发育的调控过程。分析表明，GhFSN1结合的顺式元件为一个13-bp 序列 (consensus sequence, 命名为GhNBS)。GhFSN1蛋白通过泛素介导的蛋白酶体途径降解，后翻译修饰自身活性。上述研究揭示了GhFSN1作为转录激活因子正调控棉纤维细胞次生壁发育，影响纤维强度等品质性状。此外，我们也深入研究了GhFSN1直接的下游靶基因GhKNL1和GhMYBL1。. LIM蛋白是肌动蛋白结合蛋白(ABP)的一个家族。我们的研究表明，GhXLIM6在棉纤维中优势表达，定位于F-actin细胞骨架上和细胞核中。抑制GhXLIM6基因表达，棉纤维细胞发育迟缓，成熟纤维长度变短，细胞壁变薄。在棉纤维次生细胞壁发育阶段，GhXLIM6作为转录因子，结合到启动子顺式元件PAL-box上而抑制GhKNL1基因表达，影响棉纤维细胞壁纤维素合成。. 本项目在 New Phytologist 和 Plant Journal 等期刊上发表论文6篇，申请(或获得)发明专利 2 项，圆满完成了研究任务，取得重要研究进展，为揭示棉纤维细胞次生壁发育的转录调控机制提供了有价值的科学资料。