陆地棉碳代谢酶协同表达对种子-纤维库碳分配的影响及与衣分形成的关系

Lint percentage is an important yield component of cotton which is controlled by carbon partitioning between seeds and fibers protruded from the seed-coat epidermis. The objective of this study is to unravel the fiber sink interaction with seed sink and carbon partitioning regulation mechanism mediated by carbon metabolism enzymes. Three Upland cotton lines differing in lint percentage will be employed to investigate fiber initial density on the ovule surface and changes in cotyledon thickness etc. The dynamics of non-structural carbohydrates (fructose, glucose, sucrose and starch),large mass reserves (cellulose, oil ), activities of carbon metabolism enzymes (invertase, sucrose synthase and sucrose phosphate synthase) and the transcription of corresponding enzyme genes in fibers, seed-coats and embryos will be investigated during boll development. The differences for those mesurements among all genotypes will be analyzed to determine their relationship to seed index, lint index and lint percentage. Cotton populations with different lint percentage will be created by designing different planting dates and exogenous application of indole-3-acetic acid (IAA) on the bolls, which will be used to investigate the response of concerted expression of carbon metabolism enzymes to lint percentage difference formation. The study would present technical and theoretical supports for the development of high ling percentage cotton variety, and shed light on the interaction mechanism between the seed development and the fiber development.

衣分是棉花产量的重要构成因子，其大小主要取决于碳同化物在种子与纤维间的分配。以衣分具有显著差异(高、中、低)的陆地棉品系为材料，观察胚珠表皮纤维原始细胞突起的密度及种胚子叶厚度等的变化与差异；研究纤维、种皮和种胚非结构性碳水化合物(葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉)含量、大分子贮藏物质(纤维素、脂肪等)含量、碳代谢关键酶(转化酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶)活性和相应酶基因表达的变化、差异及对子指、衣指和衣分形成的影响；通过设置不同播期、生长素(IAA)处理塑造不同衣分的群体，研究碳代谢酶的协同表达对衣分差异形成的响应。从库容和库活性的形成两个方面，研究碳代谢酶的表达模式对种子-纤维库形成和碳分配的影响及与衣分形成的关系，揭示种子库与纤维库形成的互作机制及碳代谢酶的协同调控机制。研究结果将为培育高衣分棉花品种提供参考依据和技术思路，对于深入了解棉花种子和纤维发育的互作机制也具有重要的科学意义。

衣分是棉花皮棉产量的重要构成因素，其形成涉及到碳水化合物在胚珠和纤维间的分配。项目以衣分和子指具有明显差异的两个陆地棉品系为试验材料，采用石蜡切片、细胞荧光染色、透射电镜等技术，观察棉花胚珠发育初期纤维原始细胞的启动及种胚的发育；研究棉花胚珠/种胚、种皮及纤维发育过程非结构性碳水化合物含量（葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉）及蔗糖代谢关键酶活性（转化酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶）的变化及基因型差异；探讨不同播期及生长素处理对棉花胚珠及纤维蔗糖代谢的影响及与衣分形成的关系。取得了以下重要结果：1）衣分的大小主要是由基因型纤维库和种子库的相对强弱所决定，高衣分基因型通常具有较大的纤维库强和较小的种子库强，而低衣分基因型则反之。蔗糖浓度和蔗糖合成酶活性可以作为反映纤维－种子库活性强弱的生化指标；2）晚播创造的铃期相对低温导致衣分下降，子指和单铃种子重提高，对衣指和单铃纤维重影响不大。晚播胚珠发育初期（铃龄5d）液泡酸性转化酶活性高，引起此后的己糖浓度升高，促进种胚细胞分裂和种胚增大，这可能是晚播导致衣分降低的重要原因。晚播还提高了纤维的细胞壁酸性转化酶活性和己糖浓度，使细胞内的渗透势下降、膨压升高，促进纤维伸长；3）生长素处理棉铃可显著提高棉花胚珠表皮纤维原始细胞的启动密度和铃重，但对衣分的提高不显著。进一步观察到生长素处理提高了纤维中淀粉和己糖浓度、种皮和种胚内的淀粉浓度，增加了前中期种皮蔗糖合成酶活性、中后期种胚蔗糖合成酶活性。由于蔗糖合成酶是反映库活性的重要生化指标，表明生长素可能是通过增强种胚和种皮的蔗糖代谢活性和物质合成能力来提高单铃重。研究结果对于培育高衣分棉花品种，栽培上通过调节播期及生长调节物质运用提高衣分和单铃重，从而促进棉花皮棉增产具有较重要的应用价值，对于深入了解棉花种子－纤维库的形成、发展及互作机制也具有较重要的科学意义。