RNA--seq and metabolic analysis revealed the mech

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棉花纤维是从棉花种皮最外层表皮元细胞发育而成的单个伸长细胞的种皮毛。类黄酮物质是自然界中常见的并发挥各种作用一类化合物,它在维持植物正常的生长发育中发挥着重要功能,类黄酮代谢对于调节各种生物学功能至关重要。在植物中,调控花中色素沉积的类黄酮生物合成途径非常保守。然而,参与生产高质量棉纤维的类黄酮黄酮生物合成途径的遗传调控的却仍不清楚。近年来,通过功能基因组学和传统育种工具,调控棉花纤维发育的分子机制已得到一些阐释。在棉花中,已有证据确定类黄酮物质调控纤维发育。当发育中的棉纤维中积累柚皮素(NAR)时,纤维生长被抑制(Tan et al., 2013a)。就是在优质纤维棉花材料中,类黄酮代谢途径也非常活跃,因此详细探究具体的类黄酮种类对棉花纤维发育的影响非常必要。
  首先,通过胚珠培养体系用不同浓度的NAR,二氢山萘酚(DHK),二氢槲皮素(DHQ)和圣草酚(ERI)体外处理0DPA胚珠来检测这些类黄酮物质对纤维发育的作用。发现ERI可以促进纤维伸长,其中20μM是最优浓度。
  为了进一步解析ERI促进纤维发育中的转录调节网络和机理,对胚珠培养后1天(1DPA)胚珠,5天(5DPA)和10天(10DPA)纤维进行全转录组测序。1天的胚珠ERI处理相对于对照约190个差异表达基因(160个基因上调表达;30个基因下调表达)。胚珠培养10天的样品有604个差异表达基因(245个基因上调和359个基因下调),胚珠培养15天的样品有2474个差异表达的基因(1517个基因上调和957个基因下调)。GO和KEGG分析显示,碳水化合物代谢(9.67%),次级代谢物生物合成(7.22%)和植物激素信号转导(7.09%)等途径最为丰富。
  RNA-seq和qRT-PCR的结果表明ERI处理后,类黄酮代谢途径基因CHI和CHS等表达上调在1-,5-,10-DPA都上调,而F3H在1-,5-DPA表达上调,但在10-DPA下调。
  类黄酮和IAA含量测定表明,ERI和DHQ都与纤维发育正相关,而NAR和DHK不能促进纤维生长。此外,发现ERI在生长素存在时正向调控体外纤维发育。
  因为NAR抑制纤维发育,ERI促进纤维发育。我们已经获得了以NAR为底物的酶F3H的转基因棉花并验证了其功能。因此较好地解析NAR和ERI对纤维发育影响的具体机制,有必要进一步分析处于这两种物质下游的F3’H和F3’5’H的功能。
  利用Swisprot数据库中的四个F3’5’H和七个F3’H蛋白序列在G.raimondii,G.arboreum,G.barbadense和G.hirsutum基因组中进行“blastx”分析。在棉花基因组中鉴定出36个候选基因,其中在两个二倍体棉花中,A基因组中鉴定到7个,D基因组中鉴定到5个,而在两个四倍体栽培棉中分别鉴定到11个(陆地棉)和13个(海岛棉)。综合四个基因组注释分析,有7个基因被注释为CYP75A(F35H),而其余29个基因可以作为CYP75B(F3H)。
  进化树分析显示这两类不同类别的基因明显分别聚类为CYP75A(F35H)和CYP75B(F3H)两个类群。此外,与两种CYP75同种型相关的候选基因在两个四倍体棉花基因组(G.hirsutum和Gbarbadense)中表现出不同的特征。
  同时,比较了这些预测的F3H和F35H基因家族在两个棉花品系(YZ1和Pima3-79)不同的营养和纤维组织中的表达模式。芯片和qRT-PCR分析均表明F3H和F35H候选基因在两个四倍体栽培种的胚珠和纤维组织中差异表达。在F3H-OXandF3H-RNAi转基因棉花中,Gh_A12G2650/Gh_D12G1798是陆地棉中主要表达F3H家族成员。因此构建了F3HRNAi载体转化棉花YZ1,并对转基因材料的表型进行了考察,下调F3H显着抑制纤维伸长。
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