WRKY转录因子调控棉花纤维发育的分子机制研究

Cotton is an important economic crop in the world. It is significant for us to understand the molecular mechanism of cotton fiber development for improving fiber quality. WRKY proteins are plant specific transcription factors and play diverse roles in plant development and in response to stress. However, little is known on the function of WRKY transcription factors in cotton fiber development. Our previous study confirmed that GhWRKY12 and GhWRKY16 were expressed at high levels in fiber initiation and elongation, and they may be involved in fiber development of cotton. In this project, by employing some techniques (such as cotton genetic transformation and in vitro ovule culture, microscopy, yeast two-hybrid, BiFC, pull down, RNA-seq, EMSA and ChIP-PCR), we will study the role of WRKY12/16 in regulating fiber cell development and in affecting the quality characters of cotton fibers, and investigate how GhWRKY12/16 modulate the downstream target genes and proteins, so that we can understand WRKY-mediated signaling pathway in fiber development of cotton. This project will contribute to understanding the molecular mechanism of WRKY transcription factors regulating fiber development and provide theoretical basis for improving cotton fiber quality by genetic manipulation.

棉花是重要的经济作物。研究阐明棉纤维发育的调控机制，对于改良棉纤维品质具有重要意义。WRKY是植物特有的一类转录因子，参与植物发育和抗逆应答等过程，但其对棉纤维发育的调控，尚未见报道。我们在前期工作中鉴定了2个WRKY蛋白(GhWRKY12/16)，它们在棉花纤维细胞起始和伸长过程中均有较高的表达量，进一步研究表明它们在棉纤维发育过程中发挥调控作用。在前期工作的基础上，本项目拟采用多种技术方法(如：棉花转化和离体胚培养、电镜分析、酵母双杂交、pull down、BiFC、RNA-seq、EMSA、ChIP-PCR等)，系统探讨棉花WRKY12/16转录因子在纤维细胞发育中的生物学功能及其对纤维品质性状的影响，探讨它们对下游靶基因(蛋白)的调控方式，揭示WRKY介导的棉纤维发育的信号调控途径。本项目研究将有助于深入了解棉纤维发育的分子调控机制，也可为棉纤维品质改良提供理论依据和基因元件。

棉花是我国重要的经济作物，在经济生产中具有举足轻重的作用。探讨棉纤维细胞起始和伸长的分子调控机理，对提高棉纤维品质具有重要的理论意义和实践价值。WRKY转录因子是植物中重要的调控蛋白，在植物生长发育和逆境应答中发挥重要的调控作用。但是，该家族蛋白在棉花纤维发育中的生物学功能及调控作用尚未有报道。我们在前期工作中发现GhWRKY16在棉纤维细胞中优势表达，可能参与纤维细胞起始分化和伸长发育过程的调控。在此基础上，我们通过观察比较GhWRKY16 RNAi转基因棉花与野生型棉花胚珠表面的纤维细胞起始，比较不同发育时期转基因棉花与野生型纤维长度差异，评估GhWRKY16对棉纤维起始和伸长发育的影响。研究结果表明，抑制GhWRKY16表达导致胚珠表面纤维细胞凸起数目变少，纤维生长速度变慢，纤维最终长度变短。这说明GhWRKY16可能在棉纤维起始和发育中发挥正调控作用。通过RT-PCR技术在转基因棉纤维中检测可能与表皮毛起始分化、细胞极性生长、细胞膨胀、初生壁合成及纤维快速生长相关基因的表达变化，结合WRKY类转录因子所结合的顺式作用位点（W-box）结构特点，鉴定了2个候选靶基因—GhWT1和GhWT2。随后，我们用EMSA及Chip-PCR实验证实了GhWRKY16能够直接结合到它们启动子的W-box上。双荧光素酶实验结果显示，GhWRKY16能够激活这些下游靶基因的转录活性，说明GhWRKY16可以直接正调控GhWT1和GhWT2的表达。利用酵母双杂交系统筛查能够与GhWRKY16相互作用的蛋白，鉴定了一个能够与GhWRKY16互作的MAPK蛋白，利用pull-down和双分子荧光互补实验验证了它们之间的相互作用。而且，GhWRKY16能够被该MAPK蛋白磷酸化，这意味着GhWRKY16对下游基因的调控可能受到MAPK蛋白对其磷酸化的影响。综上所述，通过本项目研究，我们揭示了WRKY16转录因子调控棉纤维起始和伸长发育的作用机制，为棉纤维发育调控的理论研究及纤维品质改良提供了重要的科学资料。此外，我们还对一个叶片优势表达的棉花WRKY蛋白（GhWRKY33）和一个花药特异表达的棉花WRKY转录因子（GhWRKY22）的功能进行了研究探讨，结果表明GhWRKY33通过ABA信号通路参与植物逆境胁迫应答，GhWRKY22通过JA信号通路参与调控棉花花药发育。