棉花谷胱甘肽硫转移酶基因家族遗传进化机制及抗逆功能研究

Cotton (Gossypium spp.) is crucial fiber and oil crop. Verticillium wild is the most severe disease in cotton production, which can vertically reduced fiber yield. And cotton cultivars planted in saline-alkali soil is the important industrial restructuring. So, breeding disease-resistant and saline-alkali tolerance cotton cultivar is significance for cotton industry in China. In previous study showed that Glutathione S-transferases (GSTs) genes can obviously improve saline tolerance in plants. And our research showed that GhGST expression can signally enhance Verticillium wild resistance in cotton. But, the genetic evolutionary mechanism, gene structure characters, locus and the integral expression patterns in defense environment stresses of GSTs gene family are obscure in cotton genome. In this study, we combine the preliminary work and the results of cotton genome sequencing for insight into the evolutionary mechanism, gene numbers, gene structure and locus of cotton GSTs gene family by bioinformation methods. After that, we confirm the genotype, gene numbers, the expression patterns and function of cotton GSTs gene family in defense environment stresses response by transcriptome sequencing and VIGS method. The results will lay the foundation of gene family genetic evolutionary research in polyploidy plants, and can provide the stress resistance genes in cotton breeding.

棉花是重要的纤维、油料作物。生产上，黄萎病是影响我国棉花产量的重要病害，盐碱地植棉是棉花产业布局的重大调整。因此，培育抗病、耐盐碱品种对于我国棉花产业健康发展具有重要意义。已有研究表明谷胱甘肽硫转移酶（GSTs）基因能够明显提高植物耐盐反应。项目组研究证实GhGST基因表达能够明显提高棉花黄萎病抗性。但作为重要的功能基因家族，GSTs基因家族基因在棉花基因组分布、结构特征、进化机制及在抗逆反应中的整体表达模式尚不清楚。本研究，拟在前期工作基础上结合棉花基因组测序结果，利用生物信息学方法全面深度解析棉花GSTs基因家族遗传进化机制，明确棉花GSTs基因数目、结构、染色体物理分布。通过转录组测序及VIGS技术明确棉花GSTs基因家族参与抗逆反应的基因种类、数目、表达模式及功能。研究结果将为多倍体生物基因家族进化研究奠定理论基础，为棉花抗逆育种提供基因资源。

棉花是重要的经济作物，在生长发育过程中，经常遭受各种生物和非生物胁迫。棉花黄萎病是由大丽轮枝菌引起的严重真菌性病害。特别是在大丽轮枝菌侵染后，会导致棉花根组织维管束堵塞，进而导致产量降低和纤维品质下降。因此，棉花抗黄萎病分子机制需要被进一步研究。盐碱地植棉是目前我国棉花产业调整的重要方向，但棉花耐盐分子机制的研究进展缓慢。谷胱甘肽硫转移酶已经被划分为可溶性和微粒体蛋白，并且在细胞解毒过程中发挥了及其重要的作用。但是，谷胱甘肽硫转移酶编码基因在棉花基因组中系统地鉴定、进化分析和功能研究还未见报道。而对这些内容的研究对解析棉花抗黄萎病和耐盐分子机制、遗传基础及改良棉花黄萎病抗性和耐盐能力具有及其重要的意义。. 本研究中，我们明确了棉花基因组中包含9类谷胱甘肽硫转移酶基因。在亚洲棉、雷蒙德氏棉、海岛棉和陆地棉中，谷胱甘肽硫转移酶的基因数分别是56个、75个、123个和123个。此外，我们初步明确了陆地棉中谷胱甘肽硫转移酶基因家族的进化机制，即tau类可能从lambda类进化而来。Tau和MAPEG类基因形成晚于其它七类谷胱甘肽硫转移酶基因。而在60到150个百万年前，MAPEG类可能从tau类进化而来。进一步的进化分析，发现一个位于陆地棉A亚组09号染色体上的基因簇（包括Gh_A09G1508, Gh_A09G1509 和 Gh_A09G1510）在异源四倍体陆地棉形成过程中经历了正选择作用。并且在陆地棉A亚组和D亚组中的该同源基因簇经历了非对称性进化。这些发现对我们理解多倍化事件在物种形成过程中的作用具有极其重要的指导意义。之后通过转录组分析，我们发现该基因簇在黄萎病抗性反应和耐盐反应中具有重要作用。初步功能分析表明在拟南芥中超表达Gh_A09G1510基因能够显著增强黄萎病抗性。这些结果证明了该基因簇在棉花黄萎病抗性和耐盐反应中发挥了重要作用。.