GhADF1在棉花抗干旱应答中的作用机制研究

Cotton is one of the most important economic crops in the world, and its productivity and quality are severely affected by abiotic stresses (such as drought, high salinity, etc.). It has been demonstrated that actin depolymerizing factors (ADFs) are important for regulating proper balance of actin polymerization and depolymerization, which is required for plant cell growth. However, little is known about mechanisms of GhADFs in response to drought stress in cotton. Based on our previous studies, anti-sense GhADF1 transgenic cotton plants showed stable drought-resistance phenotype. In the proposed study, overexpression and RNAi technology will be employed to elucidate the function of GhADF1 in response to drought. Furthermore, actin-binding assays will be performed using GhADF1 or its mutant protein defective in proper phosphorylation. Finally, actin dynamics will be examined using transgenic cotton lines. The predicted results will elucidate the molecular and cellular mechanisms of GhADF1 in response to drought stress in cotton, and further facilitate the genetic improvement of cotton.

棉花(Gossypium hirsutum)是世界上最重要的经济作物之一，其纤维产量和品质经常受到非生物胁迫（干旱、高盐等）的影响。肌动蛋白解聚因子(ADFs）在调节植物微丝细胞骨架的正确聚合与解聚中起关键作用，但是有关此类蛋白在棉花抗干旱方面的研究，尚未见报道。我们在前期工作中发现转反义GhADF1的转基因棉花具有可以稳定遗传的抗旱表型，本项目拟通过基因过量表达和RNAi技术，深入研究棉花GhADF1基因在棉花抗旱方面的功能；运用生物化学与细胞生物学手段研究GhADF1（包括磷酸化位点突变与否）结合并切割微丝的活性；检测转基因株系在干旱胁迫下的微丝动态变化等。本研究将揭示GhADF1在棉花抗旱过程中的分子细胞机制，并将为棉花的遗传改良提供重要参考。

棉花(Gossypium hirsutum)是世界上最重要的经济作物之一，其纤维产量和品质经常受到非生物胁迫（干旱、高盐等）的影响。肌动蛋白解聚因子(ADF)在调节细胞骨架肌动蛋白聚合与解聚过程中起关键作用，但是有关此类蛋白在棉花抗干旱方面的研究，尚未见报道。本项目通过实时荧光定量RT-PCR分析结果显示GhADF1在转录水平上明显受干旱胁迫诱导。利用农杆菌介导的遗传转化法获得GhADF1-RNAi转基因棉花，植株高度显著高于野生型受体对照，果枝数增加，结铃数增加，落铃数减少，棉铃铃重增加，籽棉产量增加。GhADF1-RNAi转基因棉花种子萌发期、幼苗期及成苗植株均具有较强的干旱耐受性，根系较野生型更为发达，主根根长显著增加，侧根数目显著多于野生型受体对照。在干旱处理条件下，转基因株系存活率显著高于野生型，幼苗的失水率及叶片萎蔫率显著低于野生型。生理生化指标测定结果显示在干旱处理条件下，转基因棉花株系叶片中的光合作用速率、丙二醛(MDA)含量、POD(过氧化物酶)活性、CAT(过氧化氢酶)活性和电解质渗透率均明显发生改变。GhADF1-RNAi转基因棉花光合作用参数中的光合速率增加、蒸腾速率降低、水分利用效率增加、气孔导度降低。显微细胞结构观察及统计分析结果显示GhADF1-RNAi转基因棉花叶表皮细胞增大，单位面积内的气孔数目减少，气孔保卫细胞长度增加、宽度减小；根部分生区细胞变大、长度增加。RNA-seq转录组测序分析显示：GhADF1可能通过调控激酶(MAPK、亮氨酸受体激酶、Ser/Thr蛋白激酶)、钙信号通路中钙离子结合蛋白、钙调素及转录因子锌指蛋白、AP2/ERF、MADS、b-Zip、NAC参与棉花抗干旱应答调控。酵母双杂交试验表明GhADF1与GhCDPK1和Gh14-3-3可以相互作用，推测Gh14-3-3蛋白可能通过调节GhCDPK1对GhADF1蛋白的磷酸化水平参与干旱胁迫应答。初步探究了转基因株系在干旱胁迫下的微丝动态变化。本研究结果从生理生化及分子水平揭示了GhADF1在棉花抗旱过程中的分子作用调控机制，为棉花的抗逆遗传改良提供了重要参考。