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棉花是最重要的天然纤维作物。棉花种仁含油量达30%38%,并富含油脂和蛋白质,也是优质食用油和蛋白来源。同步提高棉花纤维和种子的单产、改进棉花纤维品质是我国现阶段棉花育种需要解决的主要问题。然而,棉花纤维由棉花外种皮发育而来,种胚与纤维发育存在碳源竞争的问题。因此,种子产量与纤维产量往往难以同时提高。另外,棉花纤维的产量与品质性状存在遗传上的负连锁,同步提高棉花种子与纤维的产量、改进纤维品质的育种难度更大。蔗糖是高等植物光合产物从“源”向“库”转运的主要形式,并作为信号分子参与了细胞信号的转导,影响作物的经济产量以及品质。糖转运蛋白SUTs以及SWEETs控制了植物中蔗糖的分配与运输。解决种胚与纤维发育之间的碳源竞争矛盾的有效途径是向它们提供充足的碳水化合物,促进棉花纤维和种胚的共同发育。为此,本文研究了蔗糖转运蛋白对棉花纤维和种子发育的影响,通过表达SUTs和SWEETs基因,定向调控蔗糖在棉花胚（种子）和纤维中的分配,以期同步提高棉花纤维和种子产量、改进纤维品质。结果表明:（1）库器官特异表达玉米蔗糖转运蛋白ZmSUT1可以促进光合产物向靶器官运输,增加库强,棉花种子和纤维产量得到同步提高,但成熟纤维变短;（2）转基因棉花纤维变短的原因是:蔗糖浓度的提高,加强了线粒体氧化磷酸化,增加了ROS在纤维细胞中的积累,ROS在促进纤维细胞起始的同时,也导致纤维次生壁合成提前;（3）棉花GhSWEET15在纤维次生壁合成期特异表达,控制蔗糖的流出,参与次生壁期纤维细胞内糖的平衡。超量表达该基因可延缓次生壁形成,使纤维变长变细;（4）棉花GhSUT5调控蔗糖向种胚和纤维的流入,影响种子胚的发育和种子萌发;该基因受WRKY27直接调控,其缺失可阻断GA促进种子萌发信号途径。主要结果如下:1、衰老诱导表达玉米ZmSUT1增加了叶片的糖含量延缓了叶片衰老,但降低了棉花产量玉米属于C4植物,与C3植物相比,具更高的光合效率。ZmSUT1既能在韧皮部进行蔗糖的装载,还能回收质外体中高浓度的蔗糖。用衰老诱导启动子pSAG12控制ZmSUT1的表达,转基因棉花株系SU-8和SU-14老叶中的蔗糖含量分别增加了21.6%和34.4%,总糖含量分别增加了5.8%和10.2%;与抗衰老相关超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性提高,叶绿素含量增加,而与衰老相关的丙二醛（MD）含量降低,叶片的衰老延迟。但叶片中蔗糖浓度增加,反馈抑制了叶片的光合作用,转基因棉花纤维产量较野生型下降了26.2%和25.6%。2、种皮特异表达ZmSUT1促进了糖在种子和纤维中的积累,增加了棉花产量利用种皮特异启动子pBAN驱动ZmSUT1在棉花中表达,转基因棉花株系BU-21和BU-59胚珠表皮以及纤维中的蔗糖含量显著提高,棉铃中可溶性糖含量增加了4.2%和20.0%,叶片光合效率分别提高了5.5%和5.1%,转基因棉花种子产量和纤维产量分别增加32.2%和14.0%,29.6%和11.8%。表明ZmSUT1在库器官特异表达能够增加靶器官的糖含量,提高光合效率,增加棉花纤维和种子产量。但同时也发现,转基因棉花的纤维有变短的趋势。3、蔗糖浓度的提高加强了ROS的生成,促进了棉花纤维起始和早期伸长,但也导致次生壁增厚信号提前,棉花纤维变短来源于玉米黑粉菌的UmSRT1能向胞内专一转运蔗糖,与植物SUT相比具有更高亲和力。利用pBAN启动子控制UmSRT1的表达,转基因棉花株系BUR-18和BUR-63 8-DPA和10-DPA纤维中的蔗糖、葡萄糖和果糖含量均高于野生型。开花当天（0-DPA）胚珠表面纤维细胞起始数目和成熟纤维数目明显增加。胚珠培养试验也证实适度提高蔗糖浓度可促进棉花纤维起始。纤维发育不同时期长度测定结果显示,在棉花纤维快速伸长前期,BUR-18和BUR-63转基因纤维细胞伸长速度更快,但后期变缓,成熟纤维变短。胚珠培养试验表明,适当增加蔗糖浓度可促进棉花纤维早期的伸长,但到培养后期纤维变短。透射电镜观察纤维次生壁厚度结果显示,BUR-63转基因棉花15-DPA和20-DPA纤维次生壁与野生型相比明显增厚。进一步发现,与次生壁合成相关基因（GhCesA1、GhCesA2、GhCesA4、GhCesA6、GhCesA7、GhCTL1、GhCTL2和GhGluc1）在野生型棉花15-DPA纤维细胞才检测到表达,而在转基因棉花12-DPA纤维中就有表达,15-DPA时其表达量远高于野生型,这表明转基因棉花纤维的次生壁增厚提前。胚珠培养表明,增加蔗糖可促进纤维细胞中次生壁合成相关基因的上调。推测次生壁合成提前导致纤维伸长终止,致使转基因棉花成熟纤维变短。转录组数据分析显示,BUR-63转基因棉花纤维中线粒体氧化磷酸化途径相关基因显著上调。与野生型相比,转基因棉花8-DPA胚珠呼吸速率大幅提高。胚珠培养证实:0.2 M蔗糖培养的胚珠较0.1 M蔗糖培养的胚珠呼吸速率增加将近一倍。说明提高蔗糖浓度可促进细胞的呼吸作用。线粒体呼吸链复合体I是ROS的主要来源,转基因材料0-DPA胚珠和1-DPA纤维中ROS荧光信号较野生型强;0-DPA胚珠以及8-DPA纤维中的H2O2含量较野生型高,说明转基因棉花纤维中蔗糖增加促进了细胞的呼吸作用,增加了ROS的积累。添加ROS抑制剂DPI,高糖浓度培养条件下的野生型棉花的胚珠和转基因材料BUR-63的胚珠纤维细胞均无突起,说明ROS对纤维细胞的起始有重要的促进作用。添加ROS清除剂,次生壁合成相关基因的表达受到抑制。验证了前人的结果:ROS是次生壁起始的信号分子。因此,转基因棉花纤维ROS的增加使次生壁增厚提前,最终导致纤维变短。同时还发现,转基因棉花纤维细胞中黄酮类物质合成相关基因以及苯丙烷代谢途径相关基因表达上调、木质素含量增加。黄酮类物质可参与细胞的抗氧化,具有清除ROS的作用。推测蔗糖水平的提高,在增加ROS生成的同时,也促进了细胞中黄酮类物质的合成,参与ROS的清除,并促进碳源向木质素分流。4、纤维次生壁特异表达基因GhSWEET15参与纤维中蔗糖流出,上调该基因,成熟纤维变长变细在棉铃中干扰GhSWEETs家族分支三的基因,可溶性糖在转基因棉花纤维中的积累增加,子指（百粒重）和衣指（百粒种子产生的纤维重量）提高。表明GhSWEETs负责蔗糖的流出。从中筛选出在纤维次生壁合成时期特异表达的GhSWEET15基因。上调该基因,转基因植株纤维中蔗糖含量降低,与次生壁合成相关基因下调,次生壁变薄,成熟纤维长度增加,马克隆值（棉花纤维细度与成熟度的综合评价指标）降低。这表明,适度上调该基因的表达,可以改进棉花纤维的长度和细度。5、蔗糖转运蛋白GhSUT5与胚珠/种子蔗糖流入相关,下调该基因种子萌发延迟在棉铃中对GhSUTs进行干扰,转基因棉花纤维中的可溶性糖含量下降,子指和衣指降低,表明GhSUTs主要负责蔗糖往细胞的流入。其中,GhSUT5主要在胚珠发育后期优势表达,在纤维发育早期以及其他部位表达较弱。下调GhSUT5,转基因株系35R和71R 20-DPA胚珠中可溶性总糖含量增加,纤维中可溶性糖含量下降,子指增加而衣指显著降低,表明下调GhSUT5减少了流向纤维的碳水化合物,让更多碳水化合物留在胚珠中,增加了种子重量,但降低了纤维产量。6、WRKY27调控AtSUC5/GhSUT5转录和种子萌发GhSUT5是拟南芥AtSUC5的同源基因,GhSUT5/AtSUC5受到干扰后,种子的发育与萌发延迟。而且,GA不能解除转基因种子萌发的延迟。同时,在胚发育后期外施GA可抑制GhSUT5/AtSUC5的表达。进一步发现,AtWRKY27能与AtSUC5上游启动子元件结合并激活AtSUC5转录。推测在胚发育后期外施GA,DELLA蛋白降解,导致WRKY27转录水平下调,抑制下游AtSUC5的表达。AtSUC5的下调,一方面抑制了蔗糖向胚中的转运延缓了胚的发育,另一方面则使蔗糖在内种皮中积累,通过T6P/SnRK1途径阻断GA促进萌发的信号通路,从而抑制种子早萌发。综上所述,蔗糖转运蛋白对棉花纤维起始、伸长和种子萌发具有重要的作用。通过基因工程技术操控蔗糖转运蛋白,将光合产物运输至收获部位,可同步提高棉花种子和纤维产量。但纤维细胞中高浓度蔗糖会加强线粒体氧化磷酸化,增强细胞呼吸作用从而促进ROS积累,导致纤维次生壁合成提前,成熟纤维变短。因此,如要利用蔗糖转运蛋白来实现棉花的纤维产量和品质的同步改良,还要根据棉花纤维细胞发育的特点,对该类基因予以精准的时空调控。例如,可在纤维起始期适度增加糖含量,促进纤维细胞起始和早期伸长,而在快速伸长与次生壁增厚的重叠期,可适度降低糖水平,延迟次生壁的合成,增加纤维的长度和细度。