棉花PMEs基因家族進(jìn)化分析與GhJAZ基因功能研究.pdf

1、棉花是世界上重要的天然纖維作物之一，是紡織工業(yè)重要的原材料。目前，紡織工業(yè)對棉纖維品質(zhì)的要求愈來愈高，尤其是需要纖維比強(qiáng)度更高的棉纖維。提高棉纖維品質(zhì)變得日益重要，現(xiàn)在已變成棉花生物學(xué)研究領(lǐng)域的一個重要研究熱點(diǎn)。棉纖維發(fā)育過程可分為四個階段：起始分化期、伸長期、次生壁加厚期和脫水成熟期。其中次生壁加厚期與棉纖維的比強(qiáng)度的形成關(guān)系密切。成熟棉纖維的主要結(jié)構(gòu)是細(xì)胞壁，果膠作為細(xì)胞壁的重要組成成分，其新陳代謝與纖維品質(zhì)形成關(guān)系密切。本研究對棉

2、花基因組中的果膠甲酯酶(Pectin methylesterase,PME; EC3.1.1.11)家族基因進(jìn)行鑒定和系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，以陸地棉(69307)和亞洲棉(石系亞1號)為實(shí)驗(yàn)材料，結(jié)合已有EST等轉(zhuǎn)錄信息，對果膠甲酯酶基因家族的部分成員進(jìn)行表達(dá)分析，鑒定出了在纖維細(xì)胞中優(yōu)勢表達(dá)的成員，并對其在纖維細(xì)胞不同時期的表達(dá)量進(jìn)行了系統(tǒng)分析，最后對果膠甲酯酶基因的功能進(jìn)行了初步驗(yàn)證。
　　比較系統(tǒng)的分析了棉花A、D、AD基因組中

3、的果膠甲酯酶基因家族成員。利用棉屬異源四倍體陸地棉基因組(AD組)、二倍體雷蒙德氏棉基因組(A組)和亞洲棉(D組)基因組信息，共鑒定出293個PMEs基因成員，其中AD組135個(GhPME001-GhPME135)， A組80個(GaPME01-GaPME80)，D組78個(GrPME01-GrPME78)，是一類在植物進(jìn)化中相對比較保守的家族。
　　系統(tǒng)的分析了果膠甲酯酶基因家族的進(jìn)化關(guān)系。本研究從四倍體陸地棉(G. hirs

4、utum L.)蛋白庫中鑒定出了135個PMEs基因，按聚類關(guān)系分為8個亞家族；從二倍體亞洲棉(G. arboretumL.)中鑒定了80個PMEs基因，按聚類關(guān)系分成4個亞家族；從二倍體雷蒙德氏棉(G. raimondii)中鑒定了78個PMEs基因，按聚類關(guān)系分成4個亞家族，并系統(tǒng)分析了其基因結(jié)構(gòu)、蛋白保守結(jié)構(gòu)域、蛋白理化性質(zhì)、空間立體結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)和進(jìn)化情況，為進(jìn)一步研究棉花基因組中的PMEs基因功能奠定基礎(chǔ)。我們做了棉花和其他從

5、進(jìn)化樹分析可知，同一物種內(nèi)的PMEs基因序列相似性較高，親緣關(guān)系也相對較近；基因結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，大部分PMEs基因的外顯子數(shù)量都為2-3個，少數(shù)PMEs基因的外顯子數(shù)量差異較大，4-6個不等。對保守結(jié)構(gòu)域分析可知，PMEs家族基因都具有C-末端相對保守的結(jié)構(gòu)域Pectinesterase(PME)，而N末端在進(jìn)化過程中較不嚴(yán)格，部分該家族成員含有Pectin methylesterase inhibitor(PMEI)保守結(jié)構(gòu)域。為進(jìn)

6、一步研究棉花中PMEs基因的功能提供了重要依據(jù)。
　　本研究表達(dá)譜研究結(jié)果表明，亞洲棉PMEs家族第一亞家族的基因在不同纖維發(fā)育時期中的表達(dá)水平不同，其中16個基因在次生壁加厚期表達(dá)水平較高，在其他時期表達(dá)水平較低，存在組織特異性。我們通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)有四個基因在陸地棉和亞洲棉纖維次生壁加厚期表達(dá)量差異較大，分析他們的基因結(jié)構(gòu)，保守結(jié)構(gòu)域及Motif均沒有差異，但他們在啟動子元件方面有一定的差異。
　　三個棉種果膠甲酯酶基

7、因家族成員的進(jìn)化壓力Ka/Ks值均小于1。Ka/Ks的比值說明復(fù)制事件過后，復(fù)制的基因經(jīng)歷了純化選擇。
　　GhPME36的表性分析?？寺×嗣藁℅hPME36基因。構(gòu)建了pBI121-GhPME36超表達(dá)載體，采用花浸法成功轉(zhuǎn)化野生型擬南芥Col-0，結(jié)果顯示GhPME36的株高，蓮座葉長度，抽薹開花時間和根長與野生型表型有明顯差異，果莢大小基本相同。
　　GhJAZ轉(zhuǎn)基因擬南芥的表性分型為，根長增加，抽薹開花提前，果莢變短