棉花隐性无腺体基因gl1的克隆与功能分析

Cottonseed is an important source of protein and oil in plants. However, the presence of gossypol glands limits the usage of this large amount of nutrient-rich resources. The glands contain plenty of gossypol and related terpenoids, which are toxic to human beings and monogastric animals. On the other hand, gossypol can act as phytoalexin to provide constitutive and inducible resistance against a variety of pests and diseases. Therefore, developing cotton varieties with low gossypol seeds and high gossypol plant is regarded as an important direction of cotton breeding. The gene gl1 could make cotton stem, petiole and boll glandless, but other tissues such as the leaves glanded. The gene and its pattern of gene regulation in space provided an important reference for the study of how to produce cottons with low gossypol seeds and high gossypol plant. We have located gl1 gene to in a 350kb interval of chromosome 8 before, and through transcriptional analysis of near-isogenic lines gl1 gene was locked among 267 genes. On this basis, the project team intends to develop new molecular markers in the interval according to the cotton genome sequences newly obtained, fine map gl1 gene combining another 2 F2 populations which contains about 5,000 individuals, and clone this candidate gene combining common differently expressed genes among T582 and 8 lines which have glands, further identify the function of gl1 gene through transgenic technology. This study aims to reveal the molecular mechanism of the formation of the gland, and provide a theoretical basis for the low-gossypol cotton breeding.

棉籽是人类重要的植物蛋白和油料来源，但由于其含有对人和单胃动物有毒的棉酚腺体，大大妨碍了棉籽饼和棉籽油的放心食用。另一方面，棉酚在棉花中起着抗病虫的作用。消除棉籽中的有毒棉酚、同时提高棉花植株的抗病虫性是棉花品种改良长期未解决的课题。gl1基因可以使茎秆、叶柄和铃壳无腺体，而其他组织有腺体。该基因及其表达调控方式对于控制腺体仅在种子等特定组织中产生具有重要意义。项目组前期将gl1基因定位在棉花第8号染色体的350kb区间内，并通过近等基因系的转录组差异表达分析，将其锁定在267个基因内。在此基础上，本项目拟利用棉花基因组中该区间的序列开发新的分子标记，对gl1基因进行精细定位，并结合gl1材料与8个有腺体材料转录组的共同差异基因，分离克隆该候选基因，再构建载体通过转基因技术进行互补功能验证。本研究对于揭示棉酚腺体形成的分子调控机制具有重要意义，同时为棉花低酚育种提供重要的理论依据。

棉花不仅是世界上重要的纤维植物、油料植物，而且是仅次于大豆的重要植物蛋白源。然而，由于一般栽培棉品种的种子和植株具有棉酚腺体，其中含有对人和单胃动物有毒的棉酚及其衍生物，腺体的存在已成为棉籽开发利用的最大障碍。另一方面，棉酚作为棉花体内一种特殊的天然保卫素，高含量棉酚的存在对多种病原菌和害虫有一定拮抗作用。因此，鉴定棉酚腺体关键控制基因、明晰棉酚腺体形成的分子机制、培育种子低酚而植株高酚的棉花品种是棉花遗传育种长期以来的重要方向。携带gl1基因的棉花隐性多标记基因系T582表现为茎秆、叶柄和铃壳部位无腺体，而植株其他部位都有腺体。该无腺体性状受一对隐性基因控制。本研究通过构建多个定位群体，结合近期公布的棉花基因组序列，开发了一批染色体特异的分子标记，对gl1基因进行精细定位研究，主要结果如下：. 1. 我们以TM-1为母本、T582为父本构建了一个F2陆陆群体，以3个海岛棉（海7124、Pima90、3-79）为母本、T582为父本构建3个BC1和3个F2海陆群体，并按单株自交收获3个BC1群体的种子，种植成BC1F2群体，所有群体的总单株数达8627株。利用这些群体对gl1基因遗传分析表明，F2群体的性状分离比符合3:1的单基因孟德尔遗传分离比，BC1群体的性状分离比均符合1:1比例。这一结果进一步证实了该无腺体性状受一对隐性基因控制。. 2. 利用开发的染色体特异SSR在26条染色体上合成了1691对引物，用6个无腺体单株和6个有腺体单株对gl1基因进行连锁分析，将gl1基因定位于第24号染色体上3786和3864这两个SSR之间，区间大小为5.9 cM，长约3.2 Mb。在初定位的3.2 Mb内设计了100对SSR引物，将gl1基因定位到4023与4101之间，区间大小约为800 kb。将此800 kb内含有86个SSR全部开发后，将gl1基因定位于3-18与3-64之间，区间大小约为420 kb。在此420kb内设计了99对扩增任意序列的引物，最终将gl1基因定位于4-3与4-81这两个标记之间，区间大小约为330k。定位区间中的候选基因分析发现，该区间含有7个表达基因，利用基因沉默的手段分析了这些候选基因的功能。