棉花是一种重要的纺织工业作物。我国是世界上重要的产棉国和消费国,随着纺织工业的技术革新和消费水平的提高,人们对棉纤维的品质也提出了更高的要求。棉纤维细胞是由胚珠外珠被表皮细胞经突起和伸长而形成的单细胞,具有极度伸长的细胞形态。其生长发育经历了起始期、快速伸长期、成熟期和脱水期,是研究植物细胞生长的理想材料。分子育种具有明显缩短育种周期、可定向选择优质基因等优点,目前已经逐步成为棉花育种的重要方式。然而截至目前,克隆到的调控棉纤维发育过程的重要基因依然很少。因此克隆调控纤维发育的重要基因,解析其在棉花纤维发育过程中的作用,对于改良棉花品种,获得纤维产量和品质同步提高的优质棉花材料具有重要的意义。膜微区是生物膜的重要部分,主要由鞘脂及类固醇组成,是细胞信号转导的平台。鞘脂是一类结构复杂的脂类分子,种类繁多,且分布极为广泛,鞘脂在动物和酵母中的研究较多,在植物中的研究较少。鞘脂及其衍生物涉及多种细胞活动进程,是重要的调控分子,参与细胞程序性死亡、多种激素（ABA、JA等）的信号转导途径,并响应多种生物及非生物胁迫。为了探索鞘脂与纤维细胞生长发育的关系,本课题组前期克隆了陆地棉中鞘脂重要合成酶基因GhKSR1,并通过转基因拟南芥初步分析了该基因的生物功能,但是该基因在棉花纤维发育中的作用还不清楚。本论文主要通过棉花遗传转化,调控该基因在棉花纤维中的表达,从遗传学水平分析了GhKSR1在纤维细胞发育中的功能。主要结果如下:1.棉花纤维发育过程中鞘氨醇的含量和组分变化:为了明确纤维细胞发育过程中鞘脂含量和组分的动态变化,我们分析了不同发育时期的纤维细胞的鞘脂组。结果表明:在纤维细胞中共检测到6大类鞘脂,分别是神经酰胺（Cer）、葡糖基神经酰胺（Glu Cer）、植物神经酰胺（Phyto Cer）、葡萄糖肌醇磷酸神经酰胺（GIPC）、鞘氨醇（Sph）和鞘氨醇-1-磷酸（S-1-P）。其中植物鞘氨醇的含量最高,随着纤维细胞的发育,其变化具有典型的低-高-低模式,在纤维细胞伸长过程中其含量较高,而细胞伸长期停止,其含量较低。暗示植物鞘氨醇可能在纤维细胞伸长过程中具有重要的意义。2.改变鞘脂合成对纤维细胞生长发育的影响:鞘脂合成途径中介导鞘氨醇合成的有两个酶:丝氨酸-棕榈酰基转移酶（SPT）和3-酮基二氢鞘氨醇还原酶（KSR）。多球壳菌素是SPT酶的特异性抑制剂,目前还没有KSR酶的特异性抑制剂。本研究利用棉花胚珠离体培养体系外施多球壳菌素,结果表明外施10μM和20μM的多球壳菌素能够显著抑制野生型棉花纤维的伸长。暗示介导鞘氨醇合成的基因可能在纤维伸长中具有重要的意义。3.超量表达GhKSR1对棉花植株和纤维生长发育的影响超量表达GhKSR1基因转基因棉花果枝明显变短,叶片增大、花瓣和萼片增大。GhKSR1基因表达水平的上调一定程度上抑制了纤维细胞的起始,并显著促进纤维细胞的伸长,转基因株系成熟纤维平均长度比野生型增加13.7%～16.4%,同时也促进种子生长,转基因株系种子宽度增加21.1%～25.5%,籽指增加9%～24.6%。通过棉花胚珠离体培养和外施多球壳菌素也证明,上调GhKSR1基因表达降低了纤维对多球壳菌素的敏感性。对成熟纤维次生壁观察表明,超量表达GhKSR1基因促进纤维次生壁厚度的增加。这些结果说明超量表达GhKSR1基因对植株生长和纤维细胞伸长具有促进作用。4.反义抑制GhKSR1对棉花植株和纤维细胞生长发育的影响反义抑制该基因表达的植株株高较野生型增加,花朵和萼片变小,植株育性受到严重影响,几乎不结果;抑制该基因表达使得转基因幼苗下胚轴长度明显变短,主根长度明显变短。使用野生型花粉授粉,反义抑制株系收获少量种子。下调GhKSR1基因表达,抑制了纤维细胞起始和伸长,成熟纤维的长度降低16.1%～23.4%,籽指较野生型增加10.7～15.5%,衣分较野生型减少42.5%～54.0%,同时成熟纤维次生壁变薄。这些结果表明下调GhKSR1基因的表达对纤维细胞生长发育有抑制作用。5.探索了GhKSR1基因影响纤维生长发育的分子机制为了探索超量表达GhKSR1基因促进纤维细胞伸长的分子机制,我们对转基因株系纤维细胞进行了转录组分析,结果表明在转基因纤维细胞中多个鞘脂生物合成途径相关基因的表达水平发生了明显变化。变化最大的代谢途径是S-1-P代谢途径和神经酰胺途径,其中多个基因发生显著上调或下调。这些结果说明改变GhKSR1基因的表达可能通过改变纤维细胞中鞘脂组分和含量变化影响了S-1-P代谢途径和神经酰胺途径的代谢,进而调控了纤维细胞的生长发育。