棉花脂肪酸关键基因的表达特征研究及功能分析

The cottonseed oil is widely used not only as edible oil and raw material for chemical industrial, but also as ideal raw material to manufacture bio-diesel. However, the current studies which focus on improving the yield, fiber quality and disease resistance pay little attention to the cottonseed with very high economic value as well as composition and content of seed oil, thus resulting in a low-level comprehensive utilization of cotton. In this study, key synthetic enzyme genes for cotton fatty acid, GhKAR, GhHAD, GhENR, and fatty acid desaturase gene, GhSAD, are taken as the study objects; the present study focuses mainly on target genes expression characteristics in developing cottonseeds, as well as the impact of the overexpression of target genes, GhKAR GhHAD GhENR and GhSAD on the content and composition of fatty acid via gene cloning, Realtime-PCR, vector construction and Agrobacterium-mediated transformation, in order to analyze accumulation mode of cottonseed fatty and clarify the function of target genes; In the meantime, the expression characteristics of GhSAD under cold stress environment as well as their change in cold resistance are also investigated, via transgenic plants overexpression of SAD or "silence" SAD, to gain an in-depth understanding of GhSAD's role in cotton cold resistance. The completion of the project lays a theoretical foundation for improving cottonseed quality, enhancing comprehensive utilization of cotton, and strengthening resistance.

棉籽油用途广泛，除用作生活食用油、化学工业原料外，更是生产生物柴油的理想原料。然而当前对棉花研究方向大多集中在提高产量、改良纤维品质和抗病性等方面，对具有极高经济价值的棉籽及种子的含油成分和含油量的研究较少，导致棉花综合利用率较低。本研究以棉花脂肪酸合成关键酶基因GhKAR，GhHAD， GhENR和脂肪酸去饱和酶基因GhSAD为研究对象；通过基因克隆、Realtime-PCR、载体构建和农杆菌转化技术，重点研究棉籽发育过程中目的基因表达特征，以及目的基因GhKAR，GhHAD， GhENR和GhSAD的超表达对脂肪酸含量和成分的影响，从而分析目的基因功能；同时，对GhSAD在低温胁迫环境下的表达特征进行研究，并通过对转基因植株超量表达SAD或"沉默"SAD，其抗寒性的变化进行研究，深入了解GhSAD在棉花抗寒方面的作用。项目完成为改善棉籽油品质、提高棉花综合利用率及增强抗逆性等奠定基础。

棉花是纺织工业的重要原料，也是我国五大油料作物之一。棉籽油用途广泛，然而目前对棉籽油相关基因研究较少。本研究以棉花脂肪酸合成关键酶基因GhKAR、GhHAD、GhENR和脂肪酸去饱和酶基因GhSAD2为目的基因；通过基因克隆、Realtime-PCR、载体的构建和农杆菌转化等技术，重点研究了目的基因的表达特征及其在棉花抗寒性中的作用。通过四年的执行，完成项目全部计划内容，并得到如下结果：①GhKAR、GhHAD、GhENR在幼苗根、茎、叶中及幼胚发育不同时期均有组成型表达；3个基因在棉花胚珠不同时期的表达情况发现它们呈现相似的表达模式，并且在高油材料基因表达水平略高于低油材料。②GhKAR、GhHAD和GhENR在纤维中表达量很高，在20DPA的纤维中出现表达量的峰值，并且能够对ABA、低温和MeJA产生应答反应；③过表达GhKAR和GhENR基因有助于油分含量的提高；转GhKAR和GhENR基因T4代株系和对照（WT）在不同程度低温胁迫下的REC、MDA和Pro含量出现了显著或极显著差异，表明过表达脂肪酸基因GhKAR和GhENR对植物抗寒性有一定的提高。④GhSAD2基因在棉花叶片中的表达量高于茎和根；GhSAD2基因在棉花种子发育过程中的表达量呈现出先上升后下降的变化趋势，在花后25 d的种子中表达量最高；⑤GhSAD2基因能够响应低温胁迫，在4℃和15℃胁迫6 h其表达量最大，胁迫12h后，表达量是WT的1.3-2.3倍。4℃低温胁迫48h后，GhSAD2过表达的转基因烟草的电导率显著低于野生型烟草，由此可以推测超表达GhSAD2基因有助于棉花幼苗抗寒性的提高。⑥测定了转GhSAD2 RNAi基因植株低温胁迫下叶片的电导率、丙二醛含量及脯氨酸含量，发现转基因植株的抗寒能力减弱；由此可以看出，超量表达GhSAD2基因有利于植物抗寒性的提高；“沉默”GhSAD2其植株抗寒性减弱。.研究结果不仅分析了4个脂肪酸关键酶基因在棉籽发育过程中的表达模式，也阐明了目的基因功能；揭示了GhSAD2在低温胁迫环境下的表达特征和转基因植株抗寒性的变化，为棉花高油育种和抗寒育种提供科学依据，为提高棉花的综合利用率具有重要意义。