棉花花药赤霉素稳态调节及其在高温耐性上的分子作用机制研究

The cotton anther development, particularly at meiosis stage, is the most sensitive to high temperature stress (HTS), and the tolerance directly relates with anther fertility, boll-setting and yield formation. In our previous study, we found the sensitivity to mepiquat chloride (MC), an inhibitor blocking gibberellins (GA) biosynthesis, in different cotton cultivars was closely related with tolerance to HTS, and the primarily investigation also showed that application of exogenous GA3 and MC had significant effect on anther fertility, GA content and the expression of key enzyme encoded genes in GA biosynthesis. These findings suggest that the endogenous GA level, especially in cotton anther, may play a pivotal role in anther tolerance to HTS. In the project, we propose to compare the content of endogenous GA, soluble sugar and so on in detail during anther development under high temperature conditions with the application of exogenous GA3 and MC treatments using high temperature tolerant and susceptible cotton lines as materials, analyze the relationship of GA level with HTS tolerance in anther, investigate the expression and regulation of GA and other endogenous phytohormones metabolic enzymes, signal components and anther development related genes at the whole genome-wide level, detect the factors affecting GA homeostasis and their biological functions, and clarify the molecular mechanism of GA in cotton anther responding to HTS. The project will help to reveal the role of GA in different tolerance to HTS during cotton anther development, and provide theoretical basis and genes for regulating and improving tolerance to HTS in cotton breeding program.

棉花花药发育时期尤其是减数分裂期对高温胁迫最为敏感，其耐性强弱与育性、结铃性及产量形成直接相关。前期研究中我们发现不同棉花品种材料对赤霉素合成抑制剂缩节胺的敏感性与其高温耐性有着密切关系，外施GA3和缩节胺对高温胁迫下花药育性、GA含量及其代谢酶基因表达均有显著影响。因而，推测棉花内源激素GA特别是花药GA含量水平可能在花药高温耐性上起着重要作用。本项目拟利用耐高温与敏感棉花品系为材料，详细比较高温胁迫条件下发育花药中GA、可溶性糖等含量变化及其对外施GA3和缩节胺的响应，分析GA含量水平与花药高温耐性的关系；从全基因组转录水平对花药GA与其他激素等代谢酶、信号转导和发育相关的基因进行表达调控研究，解析GA稳态调节的影响因素及其生物学功能，并阐明花药高温胁迫响应中GA的分子作用过程。该项目将有助于揭示GA在棉花花药高温耐性差异上的作用机理，为调控和改良棉花高温耐性提供理论基础和基因资源。

棉花生长发育过程中，花药发育对高温逆境最为敏感。前期研究中，我们发现棉花苗期和蕾期对赤霉素（GA）合成抑制剂缩节胺（DPC）的敏感性与高温耐性密切相关，由此提出了一种新的耐高温棉花筛选与鉴定方法，并试图解析其中的分子机制。基于此，本研究详细分析了高温胁迫和外施GA3 与DPC处理对棉花花药育性及其内源激素和可溶性糖含量等的变化，并从基因表达水平阐明高温胁迫对GA稳态调控的影响。为深入了解棉花花药发育及其高温逆境响应的分子过程，我们首先采用新一代测序技术对花药的四个连续发育时期开展了转录组及small RNA深度测序分析，基本了解了花药发育过程中基因组表达特征及不同发育时期的基因表达调控差异，明确了减数分裂期对花药发育的重要性及miRNAs参与花药发育的调控机制。随后，通过深入比较正常对照与高温胁迫处理条件下不同发育时期花药的转录组和miRNA变化与差异，弄清了花药发育过程中响应高温逆境的基因表达特征，从基因表达调控水平解析了耐高温与敏感棉花花药高温耐性差异及雄性不育发生的可能机制，并从花药中鉴定到高温耐性重要相关的基因和miRNAs。另外，对高温胁迫下不同发育时期花药开展了脂肪酸靶向代谢组学分析，发现耐高温与敏感花药中脂肪酸组分的差异，为鉴定出的脂肪酸代谢酶基因GhACX在花药高温耐性中的作用提供了重要证据。我们进一步对GhACX基因进行了全基因组鉴定、表达模式、逆境响应及启动子区域甲基化测序等分析，明确了该基因家族的初步功能，并在拟南芥和棉花幼苗中进行了过表达与VIGS实验，证实GhACX基因在高温耐性中起着负调控作用。项目研究期间，发表学术研究论文2篇，获湖南省科技进步奖1项，培养研究生2名，全面实现了项目的研究计划，并完成了项目的研究目标。项目研究结果为解析棉花花药发育及其高温逆境响应分子机理和开展耐高温棉花分子育种提供了重要的科学依据和基因资源。