类黄酮影响棉花纤维发育机理及棕色纤维色素形成探究

Flavonoids are a class of important and rich secondary metabolites in plant species. As an important economic crop, although the secondary metabolites content in cotton is very rich, there are few studies investigting effects of secondary metabolites on cotton morphogenesis, especially fiber development, with most of reserches just focused on brown cotton. In the process of cotton domestication, flavonoid metabolites in white cotton were down-regulated, but expression profiling data showed that flavonoid metabolism-related genes in the white cotton fiber were still very active. Our previous study found that inhibiting the expression of GhF3H resulted in shorter and thinner fibers by inefficiency of enzyme of GhF3H,which led to accumulation of upstream metabolite NAR (naringenin) that inhibited fiber elongation and secondary wall synthesis. In this study we will regulate expression levels of 11 genes involved in flavonoid pathway, specifically CHS (chalcone synthase) and DFR (dihydrogen flavanols 4 - reductase), by transgenic cotton, to investigate the relationship between transgenic cotton fiber quality and flavonoid content. We will also analyze the correlation between endogenous flavonoids and fiber quality via genetic analysis strategy. The RNAi constructs of these genes will be introduced into the brown cotton to explore the process of the brown pigmentation. By the above experiments,we expect to clarify the effects of flavonoid metabolic networks on fiber quality and the mechanism of flavonoids regulation of fiber development.

棉花是重要的经济作物，类黄酮含量丰富。但类黄酮影响棉花形态发育特别是纤维发育的研究较少，已有的研究也主要在棕色棉花中。进化分析表明棉花人工驯化过程中，类黄酮代谢在白色棉花中下调，但白色棉花表达谱数据显示类黄酮代谢相关基因在纤维发育过程中仍然非常活跃。本实验室前期研究发现抑制GhF3H的表达纤维变短变细，可能是该酶上游物质NAR（柚皮素）的积累抑制了纤维的伸长和次生壁的合成。基于这些结论本项目拟通过转基因棉花改变类黄酮代谢途径11个基因特别是CHS（查尔酮合成酶）和DFR（二氢黄烷醇4-还原酶）的表达水平，研究转基因棉花纤维品质和类黄酮含量的关系；分析不同纤维品质的棉花（遗传群体）内源类黄酮含量与纤维品质相关性；将这些基因的RNAi结构导入到棕色棉当中，探讨棕色色素沉积成分。综合这三个研究内容从代谢网络水平分析类黄酮物质和纤维品质的关系，阐明类黄酮调控纤维发育机理。

通过胚珠培养用不同浓度的柚皮素（NAR），二氢山萘酚（DHK），二氢槲皮素（DHQ）和圣草酚（ERI）体外处理来检测这些类黄酮物质对纤维发育的作用。发现ERI可以促进纤维伸长，其中20 µM是最优浓度。对胚珠培养后1DPA胚珠，5DPA和10DPA纤维进行全转录组测序来解析ERI促进纤维发育中的转录调节网络和机理。GO和KEGG分析显示，碳水化合物代谢（9.67％），次级代谢物生物合成（7.22％）和植物激素信号转导（7.09％）等途径最为丰富，ERI正向调控体外纤维发育需要生长素的存在。. 获得了GhCHS、GhCHI、GhF3’H、GhDFR、GhLAR、GhANR、GhFGT等基因RNAi转基因棉花。GhF3’H 干涉显着抑制纤维伸长。GhCHS干涉棉花纤维变短，马克隆值增高，纤维强度和整齐度降低。GhDFR干涉纤维变短，马克隆值显著降低，纤维强度及整齐度降低。不同的类黄酮基因/物质对纤维发育及品质影响不一样，并不是类黄酮代谢水平越低越利于纤维的发育和品质形成。. 对绿色和棕色棉花的类黄酮物质及代谢路径基因进行检测，发现棕色纤维类黄酮代谢被激活，纤维发育过程中有大量的黄酮类化合物合成。而绿色纤维中类黄酮代谢基因表达与白色棉类似，并没有高量富集。这些结果也暗示类黄酮很可能参与到棕色纤维色素沉积的过程，而并未参与到绿色棉纤维色素沉积过程中。. 对已完成重测序的陆地棉自然群体进行了多年多点纤维品质考察，并进行了15 DPA纤维的表达谱测序，利用251份陆地棉的纤维品质性状和2372767个SNP进行全基因组关联分析，鉴定了7个纤维长度相关的QTL, 5个纤维强度的QTL, 4个纤维伸长率的QTL和3个纤维整齐度的QTL。利用纤维转录组数据鉴定eQTL,一共鉴定了15330个eQTL, 参与调控9282个基因，其中D11的eQTL热点调控960个基因，发现纤维较短的原因是与次生壁合成基因的上调表达抑制了纤维的伸长，其中最重要的是一个FLA基因。. 从自然群体中选取了具有代表性的18份材料，构建棉花纤维特异的二级质谱标签（MS2T）数据库，共筛选到18951个离子对。2019年将完成自然群体的代谢组分析，代谢组转录组基因组多组学整合解析类黄酮调控纤维发育的机制。