棉花PCBER基因在纤维发育和品质形成中的作用及调控分子机制研究

Cotton is one of the most important economic crops in the world, and cotton fiber is the major natural fiber material for textile industry. Fiber quality which is formed in the process of fiber development directly influences the quality and efficiency of textiles. Researches on molecular mechanism of cotton fiber development is not only in favor of revealing the theoretical problems of plant cell elongation and cellulose biogenesis, but also in favor of making the foundation on improving the fiber qualities through genetic engineering. Recent molecular and genetic studies revealed that some metabolites derived from phenylpropanoid biosynthesis pathway have a significant impact on the properties of the cell wall and the development of cotton fiber. PCBER, an enzyme involved in lignan,was found to be the most abundant protein in the lignifying cells of plant. Our preliminary study also showed that GhPCBER is one of the most abundant proteins in cotton fiber, and the exprssion level of GhPCBER in high quality fiber was significantly higher than that in low quality fiber. In this study, GhPCBER was cloned from cotton fiber and transformed into cotton by Agrobacterium mediated method. Overexprssion and RNAi trangenic technology were further used to investigate the effects of change in exprssion level on the fiber development，quality formation and on the content of phenylpropanoid compounds. At the same time, the localization of the gene and interaction with other proteins in cotton fiber were studied, providing the theory basis for understanding the function and regulation mechanism of the gene in the cotton fiber development.

棉花是世界性的重要经济作物，是纺织工业天然纤维的主要来源。棉纤维品质的好坏直接影响纺织品的质量和效益，纤维品质是在纤维发育过程中形成的，其发育分子机制的解析将有助于揭示细胞伸长和纤维素合成等重大理论问题，而且可为利用基因工程手段改良棉纤维的品质奠定基础。近期的研究发现苯丙烷途径代谢产物中的一些物质对棉纤维细胞壁的性质、纤维细胞的生长发育有着重要影响。PCBER基因是合成苯丙烷物质- - 木脂素的关键酶基因，该基因在植物的木质化细胞中高度表达。前期研究发现PCBER蛋白在棉纤维中是最丰富的蛋白之一，在高品质纤维中的表达量明显高于低品质棉花。本项目拟通过利用农杆菌介导法获得GhPCBER基因过量或抑制表达棉花植株，分析GhPCBER表达水平的改变对棉纤维细胞的发育和品质以及对棉纤维中苯丙烷类物质含量的影响。同时研究该基因在棉纤维细胞中的定位及相互作用蛋白，明确该基因在棉纤维品质发育中的功能与调控。

棉花是世界上最重要的天然纤维作物，是纺织工业的重要原料来源。过去普遍认为成熟棉纤维的细胞壁近乎全部由纤维素构成，近期的研究表明棉纤维中存在苯丙烷代谢途径，其代谢产物可能对棉纤维细胞壁的性质、纤维细胞的生长发育有着重要影响。PCBER基因是合成苯丙烷物质--木脂素的关键酶基因，研究发现该基因在植物的木质化细胞中高度表达，PCBER蛋白是棉纤维中最丰富的蛋白之一。本研究克隆获得了6个PIP家族基因，包括3个GhPCBER基因，1个GhIFR基因和2个GhPLR基因，利用qRT-PCR技术对这些基因在棉花各个组织器官中的表达模式进行了分析，结果表明6个基因均在纤维发育起始期的表达量较低，在次生壁合成期表达量较高，推测它们在纤维次生壁合成期可能具有一定的功能。筛选获得了6个GhPCBER基因过表达的拟南芥转基因株系，获得了若干GhPCBER基因的棉花VIGS沉默植株，对过表达植株和沉默植株茎叶中木脂素、木质素的含量进行了测定，结果发现转基因拟南芥茎叶中GhPCBER的表达量较野生型明显上升，木质素与木脂素含量均明显降低；GhPCBER基因沉默棉花植株茎叶中GhPCBER的表达量较野生型明显降低，木质素与木脂素含量也明显降低；苯丙烷代谢通路中相关基因的qRT-PCR分析发现，过表达或抑制GhPCBRE基因均会导致苯丙烷代谢途径发生重新定向。棉花中木质素和木脂素含量的变化可能会引起棉纤维品质性状的改变，本研究为棉花中苯丙烷代谢物的调控研究提供理论基础，为利用基因工程手段改良棉纤维品质提供一个关键的目标基因。另外，构建了GhPCBER的蛋白表达载体，并成功诱导出融合蛋白。筛选获得了7个GhPCBER基因过表达的棉花转基因植株，4个干扰表达的转基因植株，转基因植株的表型鉴定工作仍在进行之中。