棉花细胞骨架基因GhFIM2在纤维发育中的功能分析

Fimbrin是微丝骨架高级结构的关键调控因子之一，在植物细胞伸长生长等发育过程中具有重要功能。在前期工作中，我们从棉花中克隆了一个含有CH（calponin-homology domain）结构域的基因，编码fimbrin蛋白，命名为GhFIM2；初步实验表明该基因在纤维快速伸长期特异表达。体外实验表明，该蛋白能够与微丝结合，并使之成束。本课题拟对GhFIM2的细胞内功能及其作用机制进行深入分析，阐明其在调控棉纤维微丝骨架高级结构以及细胞伸长中的作用。相关研究结果不仅可以为研究棉纤维发育的分子机理增添新的实验依据，而且可能为改良棉纤维品质提供新的思路和途径。

Fimbrin、LIM等微丝骨架结合蛋白是调控微丝骨架高级结构的关键因子，在植物生长发育过程中具有重要的功能。本项目克隆了两个微丝骨架结合蛋白，并利用生物化学、分子细胞生物学及遗传学方法对它们的细胞内功能及其作用机制进行了分析。丝束蛋白基因GhFIM2编码的氨基酸序列含有两个微丝结合结构域。该基因在棉纤维伸长期优势表达，在棉花中过量表达能够促进纤维细胞的伸长。机理研究发现，GhFIM2能够通过调控纤维中微丝高级结构而促进细胞伸长。另一个基因WLIM1a编码一个LIM 结构域蛋白。该基因在棉花纤维伸长期和次生壁合成期优势表达；其在棉花中过量表达能够促进纤维细胞的伸长，并且导致形成的细胞壁薄而致密。机理研究发现，WLIM1a蛋白具有双重功能：一方面能够作为微丝骨架结合/成束蛋白促进细胞内的微丝成束，参与纤维细胞的伸长；另一方面又能作为转录因子，结合PAL-box DNA序列，调节4CL1，CCR1和CAD1等木质素合成相关基因的表达，参与细胞中木质素的合成。WLIM1a定位于细胞质和细胞核，并且能应答H2O2从细胞质进入细胞核。研究结果表明WLIM1a在纤维伸长期和次生壁合成期具有双重生理功能。而且我们的研究结果表明木质素在棉纤维品质形成中具有重要作用，这一发现为棉花纤维品质改良育种具有一定的指导意义。