荒漠绿洲区不同生育期棉花耐冷性差异的生理机制及蛋白质组学研究

Xinjiang is the largest cotton(Gossypium hirsutum L.) planting area in china under its typical desert and oasis region . Low temperature or cold climate is one of main limiting factors affecting cotton growth and production ，but the mechanism of low temperature stress on growth and the accompanying metabolic changes remains to be elucidated in detail. In this study ,our objective is to identify the chilling tolerant ability of local main-cultivated germplasm resources in different growth stage by comprehensive performance under laboratory combinated with field's results of cold stress index, semi-temperature(LT50) and relative conductive rate(REC) under the special cultivation mode of high density with drip irrigation under mulching film in the desert and oasis region, to screen when is the chilling sensitive period during the growth stage ,and to investigate physio-biochemical mechanism on cold tolerance in different growth stage by comprehensive mathematical statistics method including principal component analysis, pathway analysis et al, the final key goal is to establish a physio-biochemical assisted breeding system for evaluating and identifying the cotton germplasm cold tolerance. We also aim to explore the proteomic response of cotton by comparative proteomic analyses under chilling stress and to provide a better understanding about molecular mechanisms for plant response to low temperature. Such achievements above can serve in cold tolerant cotton breeding and cultivation methods guiding, it also plays a important role in maintaining the strategic status on Xinjiang cotton production, decreasing the negative influence from international market fluctuation of cotton production , and promoting sustainable development of cotton in Xinjiang province and so on.

新疆属典型的荒漠绿洲区，是我国最大的棉花生产基地。低温冷害是目前影响全球尤其新疆棉花生产的最主要逆境因子,但其响应机制仍不清楚。本研究针对新疆荒漠绿洲区特有的植棉模式，通过室内和大田试验相结合，利用冷害指数、半致死温度和电导率等指标对当地主栽棉花品种在不同生育期的耐冷性差异进行综合评价，筛选出不同生育期具有耐冷性差异的棉花资源，了解棉花生长中的冷害敏感期，通过主成分分析、通径分析等综合数理统计方法研究不同生育期棉花耐冷的生理机制，建立不同生育期棉花耐冷性鉴定、评价的生理辅助体系，并利用差异蛋白质组学等策略研究棉花蛋白质组分及其影响因子对低温胁迫的响应，以便深层次的揭示棉花耐冷机制。研究结果可以为棉花耐冷新品种选育和抗寒生产服务，同时对稳定新疆荒漠绿洲棉区的棉花战略地位及保持我国棉花可持续发展等均具有重要的理论和现实意义。

低温是影响棉花地域分布，生长发育和产量、品质的最主要逆境因子。迄今为止，棉花低温研究多集中在生育前期，以生理生化指标分析为主，低温响应机制仍不清楚。本项目针对新疆荒漠绿洲区棉花生产的战略地位、特有植棉模式和低温冷害发生率高这一现状，开展了不同生育期棉花资源耐冷性鉴定、筛选及生理生化和蛋白质组学机制的研究。研究选取北疆棉区不同时代的36个主栽棉花，通过大田形态观察和室内冷害模拟、采用冷害指数、半致死温度、叶绿素荧光等指标结合模糊隶属函数法对其不同生育期的耐冷性进行鉴定评价，筛选出了不同生育期及新陆早19号、新陆早33号和新陆早45号等全生育期耐冷性高抗的材料，为棉花耐冷资源创新和新品种选育、耐冷机制研究提供了材料基础，进一步明确了不同生育期棉花的耐冷机制不同的观点；分析了幼苗期、蕾期棉花主要生理指标对低温的响应变化，建立了种子萌发期、幼苗期棉花耐冷性鉴定的生理生化模型鉴定方法，初步探讨了快速叶绿素荧光和电导法配合Logistic 方程在棉花幼苗耐冷性鉴定上的应用；对4种温度下中棉所36号幼苗的转录组和蛋白质组进行了测序和差异分析，获得了82.89Gb Clean Data cDNA和21679个肽段、5272个蛋白数据，GO、KEEG等分析发现，转录淀粉、蔗糖与蛋白的光合作用过程（因子）代谢通路和棉花耐冷显著相关，这是首次棉花低温的转录和蛋白质测序，为深入解析棉花耐冷分子机制及开展耐冷转基因育种提供了理论依据；探讨了外源抗坏血酸（ExAsA）和抗坏血酸过氧化物酶基因（GhAPX）在棉花耐冷性上的应用，筛选出了提高棉花种子耐冷性的最佳ExAsA引发配比，具有较高的生产应用前景。项目现已发表论文5篇（SCI 1篇），授权实用新型专利2项，参与编著2部，1人获批硕士研究生指导老师资格，协助完成培养研究生3名，正培养研究生2名；先后有20人次参加了9项国内（际）学术会议；获2019年度新疆生产建设兵团科技进步奖和新疆维吾尔自治区高等教育教学成果奖各1项。圆满完成了项目目标任务。