内切-beta-1,4-葡糖苷酶Gh EBG1基因在棉纤维发育过程中的功能分析

【作者】 尚小光； 王海棠； 柴启超； 蔡彩平； 郭旺珍；

【机构】 南京农业大学；

【摘要】 细胞壁发育对棉纤维的品质和产量具有重要影响。在细胞壁发育过程中,多种代谢途径参与其中,包括相关基因的转录调控、细胞壁多糖物质的合成及运输、纤维素的合成、细胞壁的松弛及延伸等过程。挖掘并探究棉纤维细胞壁发育过程中的关键基因,对提高棉纤维品质和产量具有重要意义。实验室在前期研究中发现一个棉纤维优势表达基因GhEBG1。该基因编码内切-beta-1,4-葡糖苷酶,家族鉴定及转录组分析表明,与其他家族成员相比,GhEBG1是棉纤维发育中优势表达基因,且表达量最高。GhEBG1在陆地棉TM-1开花后5 dpa纤维开始表达,并在棉纤维发育转换期18 dpa达到表达峰值;在海岛棉H7124中,该基因的表达峰值延后,在23 dpa达到最高。通过开发SNP标记,利用陆地棉自然群体对该基因进行了关联分析,结果表明该基因与棉纤维长度、强度显著相关。通过对277份陆地棉和305份海岛棉的自然群体分析表明,该基因A亚组拷贝在两个棉种均正常,而D亚组拷贝在陆地棉中均提前终止,而海岛棉中材料中存在正常和提前终止两种类型。海岛棉自然群体关联分析结果表明,GbEBG1-Dt编码序列的提前终止显著提高了棉纤维的马克隆值。为进一步阐明该基因的功能,构建了棉纤维特异表达启动子E6驱动的过量表达载体,并得到了稳定遗传的过表达转基因株系。与野生型相比,转基因棉纤维中GhEBG1表达量及酶催化活性在纤维伸长期显著增加,转基因棉纤维长度显著变短;扫描电镜结果表明,成熟转基因棉纤维的螺距增加50%-74%;树脂切片结果表明,转基因棉纤维的细胞壁厚度增加38%-48%;纤维素含量测定结果表明,转基因棉纤维中纤维素含量从15dpa开始显著增加。基因表达分析表明,初生壁纤维素合酶基因Cesa1, Cesa3, Cesa6及次生壁纤维素合酶基因Cesa4, Cesa7, Cesa8表达量均显著性增加。糖含量分析结果表明,转基因棉纤维中蔗糖含量显著增加;参与纤维素合成的糖代谢相关基因表达量显著增加。以上研究结果表明,过量表达GhEBG1基因能够使纤维素合成增加,细胞壁增厚、纤维螺距增加、棉纤维伸长过程提前终止。本研究阐明了GhEBG1基因能够通过调节蔗糖含量及纤维素的合成而调节棉纤维发育过程,对进一步利用该基因时空表达进行纤维品质育种改良研究具有重要意义。更多还原