海岛棉TCP转录因子在棉花纤维发育中的功能分析及分子机制研究

Cotton is one of the most important economic crops due to its excellent natural fiber properties. But, the domestic cotton fiber quality is poor because of low average span length and strength, which restrict sustainable development in cotton industry. Sea-island cotton is one of the most valuable cotton species due to its silkiness, luster, long staples, and high strength, transferring the excellent fiber traits from G. barbadense as the secondary gene pool to the vastly cultivated G. hirsutum via traditional and molecular-aided selection is an attractive aim of breeders. In previous study, comparative analysis of gene expression in G. hirsutum and G. barbadense was conducted using the transcriptome and digital gene expression profiling, and found that expression of 32 TCP unigenes were differences between in G. hirsutum and G. barbadense fibers. Our results showed that TCP transcription factors may play an important role during fiber development. In this study, to screening TCP transcripts is predominantly expressed in the fiber, validated transcriptome data results by qPCR technology. Cloning TCP gene and identify its function by transforming the model plant and G. barbadense. Transgenic plants trichomes length and density were observed, transgenic cotton fiber quality were measured. Using transcriptome obtained transcripts and metabolic pathways differentially expressed between transgenic and control plants. Analysis functions and molecular mechanisms of TCP transcription factor in fiber development, and provide a clear function candidate genetic resources for cotton fiber quality improvement.

棉花是我国重要的经济作物。但是，我国棉花纤维品质偏差，成为制约棉花产业可持续发展的主要障碍。海岛棉因为纤维细长、富有丝光、强力较高成为纺织高档和特种棉纺品的重要原料，海岛棉中蕴含着优质纤维基因，为陆地棉纤维改良提供基因资源。前期研究中，利用转录组和数字化表达谱技术对陆地棉和海岛棉纤维基因表达进行了比较研究，发现有32个TCP unigene在海岛棉和陆地棉纤维中差异表达，暗示这些TCP转录因子可能在棉花纤维中具有重要的功能。因此，本项目通过qPCR技术验证转录组数据结果，筛选在纤维中优势表达的TCP转录本，克隆TCP基因并通过转化模式植物和海岛棉来鉴定基因的功能，观察转基因植物表皮毛长度和密度，测定转基因棉花的纤维品质，并利用转录组方法获得转基因和对照植株之间差异表达的转录本及代谢途径，解析TCP转录因子在纤维发育中的功能及分子机制，以期为棉花纤维品质改良提供候选的功能明确的基因资源。

TCP转录因子家族是植物特有的，与细胞的增殖和生长密切相关，参与植物的生长和发育以及种子的萌发。主要在分生组织中以及植物的生长发育过程中发挥着作用。现有的研究表明TCP转录因子和激素信号传导相关的蛋白互作后，在植物生长发育过程中参与激素信号调控，进而参与植物的生长调控，在海岛棉中TCP转录因子通过调控下游参与细胞分裂等多个功能基因综合发挥作用，使得棉花纤维品质得到综合改良。.项目利用生物信息学分析方法对海岛棉TCP转录因子家族进行鉴定分类，探究其在纤维发育中的表达特性，通过构建过表达载体，转化拟南芥和棉花，研究其功能，为深入揭示TCP转录因子参与棉花纤维的生长发育提供依据。.（1）通过RT-PCR分析得出GbTCP转录因子在棉花纤维的生长发育中有着不同表达特性，表明TCP转录因子可能是参加纤维发育过程中的潜在功能基因。.（2）借助分子生物学技术，克隆一批在纤维发育时期高表达的TCP基因，并针对这些基因的转录激活活性以及亚细胞定位情况作了研究，于此同时还构建纤维的均一化文库，从中筛选出在纤维发育时期与TCP互作的基因。结果表明，这些TCP基因大部分是没有转录活性的，并且都定位在细胞核中，并且TCP基因之间很容易形成蛋白互作。.（3）构建了海岛棉棉GbTCP5和GbTCP47的过表达载体，分别转化了拟南芥和棉花，并成功获得了转基因植株。在T3代的转基因棉花开展表型分析后发现，在陆地棉中过量表达GbTCP5和GbTCP47能在纤维发育起始时期显著加快胚珠表皮细胞的突起、伸长和增粗，在后期提高棉花的纤维长度；转录组分析表明：GbTCP47基因调控下游目的基因包括同家族的TCP转录因子以及纤维素合成酶和细胞分裂素等相关基因，由此也说明了海岛棉TCP转录因子可能是通过调控细胞分裂素合成相关基因的表达过程进而影响棉花纤维在初始阶段的伸长。.（4）通过本项目的实施，协助培养了2名硕士研究生和1名博士研究生，共发表论文6篇。项目通过对海岛棉纤维发育相关基因GbTCP5和GbTCP47的克隆和功能研究，对转录因子参与棉花纤维发育的分子机制有了更深一步的了解，为基因工程综合改良棉花的纤维品质提供了一条有效的技术途径，为进一步研究棉花的纤维发育机制和培育优质纤维品种奠定基础。