DUF231蛋白在棉花纤维发育中的功能及调控机制研究

Cotton is the most important fiber crop that is a mainstay of economy in China. Cotton fibers are extensively used in textile industry. Our previous study revealed GhDUF231L1 is specifically expressed in cotton fibers at the stage of secondary cell wall biosynthesis, and is directly regulated by the GhFSN1 transcription factor, suggesting it may play an important role in the secondary cell wall biosynthesis and modification of cotton fibers. However, little is known of how GhDUF231L1 functions in fiber cell secondary wall development of cotton in detail so far. Based on our previous research progresses, this project plan to investigate the role of cotton fiber-specific GhDUF231L1 in secondary cell wall formation and modification of fibers. We will study how this protein affects fiber cell wall biosynthesis and modification, and whether it performs the acetylation on the fiber cell wall components of cotton. Furthermore, we will determine the enzyme activity of acetyl transferase of GhDUF231L1 and its specific substrate, and analyze the wall acetylation level of fiber cells, so that we can elucidate the biochemical function of this protein. We also investigate the GhDUF231L1-mediated regulation mechanism in lating fiber development of cotton. This study will provide new scientific data in the cell wall biosynthesis of cotton fibers for understanding molecular mechanism of cotton fiber development, and for molecular breeding of fiber quality improvement.

棉花是我国最重要的经济作物，棉纤维广泛应用于纺织工业及其相关产业，在国民经济中起着至关重要的作用。我们在前期工作中发现GhDUF231L1在细胞次生壁发育期的棉纤维中特异表达，并直接受GhFSN1转录因子的调控，暗示其可能在棉纤维细胞次生壁合成及修饰中发挥重要作用，但其具体的功能及作用机制尚不清楚。因此，本项目拟系统探讨GhDUF231L1对棉纤维细胞次生壁合成及修饰的影响，研究其在棉纤维细胞次生壁发育中的作用；检测GhDUF231L1蛋白是否具有乙酰转移酶特性及其作用底物和乙酰化位点，比较分析棉纤维细胞壁组分的乙酰化水平，解析该蛋白的生化功能；研究GhDUF231L1的功能表达调控，揭示该蛋白所涉及的棉纤维细胞次生壁发育的调控机制。通过本项目研究，以期能够进一步解析棉纤维细胞次生壁发育的分子调控机制等棉花生物学理论问题，进而应用于棉花纤维品质改良的分子育种研究。

棉花是我国最重要的经济作物，涉及到我国农业和纺织工业两大支柱产业，在国民经济中起着至关重要的作用。DUF231家族蛋白是一类含有未知功能结构域(domain of unknown function，DUF)的蛋白，参与调控植物生长发育及逆境胁迫应答等生理代谢过程。利用已经公布的棉花基因组信息库，在陆地棉中鉴定了100个GhDUF231家族基因，它们大多具有保守的TBL及GDSL结构域，其中有45个基因在棉纤维细胞次生壁发育时期表达量较高。进而对GhDUF231L1基因进行来系统研究，发现其在次生细胞壁增厚期的棉纤维中高量表达，该蛋白定位于高尔基体中。过量表达GhDUF231L1导致棉纤维次生细胞壁明显增厚，结晶纤维素含量升高；相反，抑制GhDUF231L1表达，棉纤维次生细胞壁变薄，结晶纤维素含量降低。而且，成熟棉纤维断裂比强度及马克隆值均发生显著变化，说明GhDUF231L1参与调控棉纤维次生细胞壁发育。与野生型相比，GhDUF231L1 OE转基因棉纤维细胞壁中木聚糖组分的乙酰化修饰水平明显升高，而RNAi棉纤维细胞壁中木聚糖组分的乙酰化修饰水平明显降低。通过核磁共振（1H-NMR）技术证实GhDUF231L1的主要作用底物为木聚糖，且主要进行2-O-Ac-xylan和3-O-Ac-xylan单乙酰化修饰，这证明GhDUF231L1主要作为木聚糖O-乙酰转移酶在棉纤维次生细胞壁发育中发挥功能。研究发现两个重要转录因子GhMYBL1和GhKNL1能够直接结合在GhDUF231L1启动子上，作为正调控因子和负调控因子，拮抗调控GhDUF231L1的表达，维持细胞壁中木聚糖乙酰化水平的稳定，调节棉纤维次生细胞壁发育。此外，本项目还研究揭示了其他一些重要基因(蛋白)在棉纤维发育中的功能及调控机制。本项目在Journal of Integrative Plant Biology等著名植物学期刊上发表学术论文5篇，待发表论文2篇，获得授权专利3项，圆满完成了研究任务，取得重要研究进展，为揭示DUF231相关的棉纤维细胞次生壁发育的分子调控机制提供了有价值的科学资料。