棉花纤维-种子协同改良的分子基础

棉花是重要的天然纤维作物，同时其种子也是重要的油脂与蛋白来源。研究表明，棉花衣分和产量的增加，往往伴随着种子重量的减小。牺牲种子重量换取纤维产量的结果反过来限制了纤维产量的进一步提高，也不利于棉花种子的综合利用和提高种子质量。棉花纤维是从胚珠外表皮发育而来，但目前有关棉花纤维和种子发育相互关系的分子基础知之甚少。课题组利用激素合成与传导基因改良棉花纤维品质与产量的研究，取得重要进展，获得了纤维产量和品质得到显著改良的转基因棉花，以及大批纤维和种子发生改变的遗传材料。在此基础上，课题将棉花种子和纤维发育的分子机理和基因调控有机地结合起来，深入研究影响棉花纤维和种子发育重要基因的功能、以及种子和纤维在发育过程中相互影响的分子基础，探索促进棉花纤维-种子协调发育的新策略。本研究将为实现棉花纤维和种子的高产、优质栽培与育种提供新思路和新材料。

本项目重点研究了植物激素、糖的转运和脂类合成与代谢对棉花纤维与种子发育的影响。在此基础上，提出通过调控激素的合成代谢以及“碳流”方向提高棉花纤维和种子产量的策略。重要进展如下：①研究了重要植物激素在棉花纤维和胚珠发育过程中的动态变化，发现PIN3在纤维细胞IAA积累中的重要作用，阐明了细胞分裂素CKs通过抑制PIN的表达干扰IAA在胚珠表皮细胞积累的机理；②在棉花中建立起Ca2+和pH的Biosensor系统，观察了纤维细胞起始前后的Ca2+和pH动态变化；③揭示了丝氨酸蛋白酶SCFSP加工肽激素RALF调控纤维细胞起始和伸长的机理，提出了SCFSP-RALF-FER-AHA2途径和Ca2+调控细胞内外pH，形成纤维和非纤维细胞的pH差异、促进IAA向纤维细胞积累的工作模型；④通过抑制细胞分裂素氧化酶适度提高内源细胞分裂素水平，抑制叶片衰老，提高了棉花的种子产量。叠合促进纤维细胞起始的FBP7::iaaM和增加种子产量的GhCKX-RNAi，可以进一步提高棉花种子和纤维产量，同时改进了纤维细度；⑤发现表达解脂耶罗威亚酵母YlDGAT2转基因提高了棉花的生物量和产量以及抗虫性，进而揭示了YlDGAT2通过改变了叶片游离脂肪酸的组分，增强JA的生物合成、继而促进淀粉合成和表皮毛形成、提高光合效率和抗虫性的分子机理；⑥发现脂肪酸延伸酶GhFLAE在调节膜透性、促进糖转运方面的重要功能；⑦研究了不同糖转运蛋白在棉花纤维和种子发育中的功能，探索了通过定向调控糖转运蛋白促进光合产物向纤维和种子累积的途径与方法；⑧获得纤维和种子性状明显变化的新材料25份，其中纤维-种子产量同步改良转基因新材料12份。项目完成了研究计划，实现了预期目标。目前已发表研究论文6篇，尚有7-9篇论文待发表。申请专利9项，其中授权5项，获重庆市自然科学一等奖一项。通过科学研究，项目在人才培养也取得丰硕成果。