陆地棉高强纤维候选基因GhUBX_D03的克隆和功能分析

Fiber strength is the key trait that determine fiber quality of cotton. Breeding new varieties with fine fiber strength has being the one of main goal of cotton breeding. It is of great significance to improve the fiber strength of cultivated varieties by exploring and cloning fiber strength related genes. In previous study, using developed recombination inbred lines (RILs) and secondary populations, we fine mapped the QTL qFS-D3-1 for fiber strength in the upland cotton cultivar Acala-prema extensively planted in the USA for its good fiber qualities. We identified the QTL candidate gene GhUBX_D03 encoding UBX domain-containing protein which is closely related to fiber strength. In this study, based on the gene sequence structure and expression pattern of GhUBX_D03, we will not only perform activity of the promoter of GhUBX_D03, subcellular localization, transgenic Arabidopsis and gene over expressing and RNAi suppressing transgenic cotton to identify the molecular function of GhUBX_D03, but also screen the transgenic plants with improved fiber quality for breeding research. Then, we will combine yeast two-hybrid system, BIFC and transcriptome profile to primarily discover the protein interaction network of GhUBX_D03 in fiber development. This study will promote the understanding of molecular mechanism of GhUBX_D03 in the improvement of fiber strength.

纤维强度是棉花纤维品质的重要指标，培育出纤维品质优异尤其是纤维强度高的品种棉花是主要育种目标。发掘和克隆高强纤维基因，对于改良我国棉花品种的纤维强度具有重要的意义。利用重组自交系群体和次级分离群体，我们在世界著名的优质棉Acala系列品种Prema中精细定位了一个纤维强度QTL qFS-D3-1。通过基因序列、表达和群体关联分析发现一个UBX结构域包含蛋白基因GhUBX_D03与强度显著相关，可能为该QTL的候选基因。本项目将在基因序列结构和表达特征分析的基础上，进行GhUBX_D03的分子功能研究。利用亚细胞定位、启动子活性、转基因拟南芥、过量表达和RNAi干扰转基因棉花来分析目标基因的分子功能，同时筛选用于育种利用的转基因材料；利用酵母双杂交、BIFC和转录组测序来初步解析GhUBX_D03在纤维强度发育中的分子调控网络，进一步阐明GhUBX_D03在棉纤维强度形成中的分子机理。

棉花是世界上广泛种植的的经济作物之一，是重要的纤维作物和油料作物，天然的棉纤维是纺织工业最重要原料来源，当今世界纤维纺织工业飞速发展，对棉纤维质量的要求也越来越高。培育出纤维品质优异的棉花品种已经成为棉花育种学家的主要目标，然而棉花纤维长度、强度都是数量性状，并不由单基因调控，提高纤维强度提升纤维品质对育种学家来说是一个挑战。.本项目以改良棉花品质性状为目的，首先针对棉花纤维品质强度QTL qFS-D3-1进行了图位克隆与功能分析，以及基因组序列差异与表型关联分析，并构建过表达与沉默转基因材料系统验证了候选基因GhUBX_D03的分子功能。研究发现GhUBX与GhCDC48相互作用，通过影响次生壁加厚速度来影响最终的纤维强度，而GhUBX通过调控GhSPIRAL来影响纤维螺旋数目来影响纤维强度。本研究提出了GhUBX 影响纤维强度的模式图，双亲基因组序列6碱基差异（GCCTCC）通过影响下游蛋白结合来影响纤维的螺旋程度，进而影响纤维强度。其次，利用全基因组关联分析从新疆陆地棉现代品种中鉴定出146个人工选择区域，发现共有242个与棉花产量及品质相关的QTL位点与123个人工选择区域重叠，并进一步鉴定出GhARF3等候选基因与纤维品质性状形成密切相关。然后，系统解析了重要基因MYB类转录因子GhMML4_D12在棉纤维起始分化阶段的分子功能及调控网络，首次发现MYB蛋白能够直接与WD40蛋白相互作用，而且不同于拟南芥当中的MYB蛋白直接和bHLH蛋白相互作用后再通过bHLH与WD40蛋白的相互作用形成复合体，棉纤维发育分化出了独特的蛋白模型。.本研究GhUBX、GhMML等纤维品质性状基因的发掘、鉴定和功能解析，为揭示棉纤维分子调控的分子机理奠定基础，也为改良我国棉花纤维品质提供了重要的基因资源。项目执行期间，在2篇已在Plant Biotechnology Journal 和 Journal and Experimental botany期刊上发表。申报发明专利1项“陆地棉纤维强度基因GhUBX及其应用”（专利号201910871799.4）。参加国内外学术会议并作会议报告2次。