棉花纤维发育过程中纤维素合成机理及微管骨架作用机制研究

Cotton fiber is an ideal model for research on cell elongation and cellulose biosynthesis. Unfortunately, it is unknown how many CESA subunits are required to form a rosette complex, and its assembly and dilivery. Nor do we know how individual CESA subunits interact with each in the complex.It is also largely unknown how the cellulose synthesis machinery interacts with cortical microtubules.In order to elucidate how plant cells grow, it is essential for us to understand molecular mechanisms that regulate spatial organization of the cortical microtubule network. In the proposed study, we will use cotton fiber cell as the research model to in vestigate the dynamic composition of the cellulose synthase complex (CSCs), i.e., specific and detail composition of CSCs at different stages during cotton fiber de velopment. We will also identify the new components of the CSCs and the new adapto rs involving the interaction between MTs and CSCs. The accomplishment of the propo sed research will shed light on unraveling the mystery of cellulose biosynthesis and extreme elongation of cotton fiber cells. It would likely contribute to identif ying targets for the quality improvement of cotton fibers by genetic manipulations , and it is also pertinent to the bioenergy research aimed at providing sustainabl e feedstocks.

棉纤维细胞是研究植物细胞伸长和纤维素生物合成的理想模型。细胞骨架系统在植物细胞伸长和纤维素生物合成过程中起着至关重要的作用，但对其作用机制的了解还相当有限，特别是对微管骨架和纤维素合酶复合体的相互作用了解甚少，还不知道纤维素合酶复合体的具体组成？如何装配？通过什么机制与微管结合并沿着微管运动？本研究将利用棉花纤维这一独特体系进行深入研究，为最终回答上述重要科学问题提供有价值的线索和参考。我们将利用生物化学手段鉴定棉纤维发育过程中纤维素合酶复合体的动态组成，鉴定每个发育时期纤维素合酶复合体的具体组成、发现新组分以及参与微管和纤维素合成相互作用的新因子。鉴于棉花纤维细胞伸长和纤维素沉积模式是棉花纤维品质性状（长度、强度和细度）的决定因素，预期结果将为棉花纤维品质遗传改良提供候选基因和理论指导。

棉花纤维细胞是研究植物细胞伸长和纤维素生物合成的理想模型。细胞骨架系统在植物细胞伸长和纤维素生物合成过程中起着至关重要的作用，但人们对具体作用机制的了解还相当有限。本项目按照计划深入研究了棉花纤维发育过程中细胞骨架调控纤维素生物合成的分子细胞机制。我们运用实时定量PCR方法对编码纤维素合酶（CESA）的基因进行了表达谱分析，鉴定了其在棉花各种组织、器官，以及棉纤维发育过程中的表达模式。进一步有代表性地分别选取参与棉纤维初生壁、次生壁合成各四个CESAs，制备了8个特异的抗体。并将这些抗体与Protein A磁珠进行偶联，进行免疫共沉淀与质谱分析，解析了棉花纤维发育过程中纤维素合酶复合体的动态组成，发掘了一些参与纤维素合酶复合体与细胞骨架相互作用的因子，并选取了部分候选基因进行功能分析。我们研究发现GhCFE1A可以与微丝骨架结合，并且与内质网共定位，很可能是联结内质网与微丝骨架之间的动态联结因子，在纤维发育过程中起着重要的作用。当过量表达GhCFE1A时，很可能破坏了内质网与微丝骨架之间的紧密联系，随后影响了内质网以及微丝骨架的正确排布，最终导致棉纤维伸长受到影响，变短。另外，发现驱动蛋白GhKinesin4A在棉花纤维发育过程中优势表达，免疫荧光染色实验显示GhKinesin4A的定位呈现囊泡状物，并且结合在周质微管上，提示GhKinesin4A很可能沿着微管运动并通过调控囊泡运输在棉纤维发育过程中发挥重要作用。我们推测驱动蛋白Kinesin 4介导了周质微管上的非纤维素类细胞壁组分的囊泡运输，从而调控植物细胞壁机械力，并影响细胞伸长。