钙信号及活性氧调控棉花纤维伸长及品质形成机理研究

Cotton is very important in agricultural production and textile industry. Fiber quality is one of the most important targets for breeders. But it is difficult now to make breakthrough in the fiber quality improvement with the conventional breeding method. Therefore the mechanism of fiber development must be elucidated before the breeding strategy for fiber quality improvement is decided. Fiber length is an important index of the quality of fiber. The initiation and elongation stages determine the length of the fiber, so analysis of fiber elongation mechanism is very important. References showed that the fiber elongation is according to a linear growth model, Ca2+ and ROS signaling is in the upstream of regulatory networks, but there is no direct evidence. We found that CaM promoted the early fiber elongation via ROS signaling by genetically modified cotton with CaM overexpression. Therefore we plan to get the transgenic cotton lines with Ca2+ and ROS signaling related genes overexpression or RNAi, and to cross the lines for producing dual / multi-mutants. Combined with the molecular biology and physiological and biochemical analysis, we will elucidate the mechanism of the Ca2+ and ROS signaling regulation of cotton fiber elongation and quality formation and develop cotton lines with fiber quality improved.

棉花在生产生活和纺织工业中地位十分重要，纤维品质是育种家一直关注的目标，但常规育种很难使纤维品质再有大的提高或突破。因此必须通过研究其发育机制，结合分子生物学和基因工程的手段来提高纤维的品质。作为纤维品质的一个重要指标，纤维长度由纤维发育的起始和伸长期决定，纤维伸长机制的解析对于棉花纤维品质育种具有重要意义。基于已有的纤维伸长相关研究文献，目前认为纤维伸长模式为线性生长，Ca2+和ROS信号处于纤维伸长调控网络上游，但尚缺乏实验验证。我们通过转基因棉花发现CaM通过调控ROS信号促进早期纤维伸长，因此本项目拟采用本实验已创造的Ca2+和ROS信号途径相关基因的转基因棉花材料，并选择材料进行聚合杂交获得双/多突变体，结合相应的分子生物学及生理生化分析，对Ca2+和ROS信号调控棉花纤维伸长及品质形成机理进行研究，为棉花纤维品质育种提供理论参考，并获得纤维品质得到改良的育种材料。

纤维伸长时期高丰度表达的钙离子结合蛋白基因GhCaM7（陆地棉钙调素7）转基因棉花结果表明GhCaM7在早期纤维的发育中发挥积极的作用。GhCaM7能通过调控ROS的产生来影响纤维发育，ROS对GhCaM7的表达也有调控作用。GhCaM7与IAA协同调控ROS产生。GhAnn2的表达高峰在纤维伸长期。GhAnn2下调表达抑制纤维伸长和细胞壁的合成，GhAnn2干涉转基因棉花纤维顶端钙离子流入减弱。. 通过胚珠培养系统发现大量元素对纤维发育有明显的剂量效应，微量元素在培养基中的缺失或者高量添加对胚珠和纤维的发育影响不大。低钾和缺钙共同作用可以促进纤维的伸长，低钾诱导的抗氧化基因的上调表达，以及ABA和JA的累积共同弥补了缺钙的表型。H2O2是纤维伸长的重要调控因子，干涉细胞质抗坏血酸氧化酶APX家族基因严重影响了纤维的发育，纤维品质变差。细胞质APX表达量的下降增加了对铁元素缺乏的耐受性，抗坏血酸ASA能增加胚珠对于缺铁的耐受性。ASA可能通过IAA或者ABA信号途径增加缺铁耐受性。. 利用全基因组鸟枪法完成了海岛棉3-79基因组测序，预测得到80876个编码蛋白质的基因，提出海岛棉纤维发育过程中“CesA基因家族的接力赛模型”。基于基因组测序，利用Small RNA 测序，总共检测到参与纤维发育的47个保守的miRNA家族和7个新的纤维特异的miRNAs。特异抑制纤维细胞miRNA156/157的表达导致成熟纤维变短。通过整合高覆盖度的转录组数据鉴定了30,550个基因间区域的lncRNA位点和4,718个反义lncRNA位点。鉴定出突变体和野生型之间纤维起始期差异表达的lncRNA，发现一对可能调控纤维的起始发育的长链非编码RNA是miRNA397的前体。绘制了棉花纤维发育过程中DNA甲基化和染色质重塑的动态图谱，并且揭示了其对于细胞伸长和次生壁加厚的重要作用。收集了352份野生种和驯化种，构建了一个综合性基因组变异图谱。鉴定了93个驯化选择区域，通过全基因组关联分析鉴定了19个与纤维品质性状相关的候选位点，发现不对称的亚基因组选择与长纤维的驯化相关。这些选择驯化区域的确定为聚合育种培育突破性品种奠定了基础。