蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白GhSUT1與GhSUT4在棉花光合產(chǎn)物分配中的功能.pdf

1、棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，在我國的國民經(jīng)濟(jì)中地位突出。培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的棉花新品種一直是棉花研究領(lǐng)域的重要課題。纖維和種子是棉花的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物，在其發(fā)育過程中需要大量的碳水化合物，尤其是棉花纖維，90％以上都是纖維素。因此，棉花產(chǎn)量和品質(zhì)與光合產(chǎn)物的運輸分配密切相關(guān)。
　　蔗糖是大多數(shù)高等植物光合作用同化產(chǎn)物的主要運輸形式，可為植物的生長發(fā)育提供碳源與能量。植物光合作用產(chǎn)生的蔗糖大部分經(jīng)韌皮部的長距離運輸?shù)竭_(dá)庫組織，在其運輸過程中位于

2、質(zhì)膜上的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白（SUT/SUC）發(fā)揮著重要作用。為尋找適宜的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白，以實現(xiàn)將“源”中的碳水化合物定向的運輸至“庫”中，從而提高庫勢，以期提高棉花的產(chǎn)量。本文分析了兩個棉花蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因GhSUT1和GhSUT4的表達(dá)模式，利用轉(zhuǎn)基因手段在棉花中上調(diào)和下調(diào)GhSUT1和GhSUT4的表達(dá)，分析了這兩個基因表達(dá)水平的改變對棉花產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的影響。主要研究結(jié)果如下：
　　1.GhSUT1與GhSUT4的表達(dá)特性
　

3、　同源性分析發(fā)現(xiàn)GhSUT1氨基酸序列與馬鈴薯、番茄的SUT1和擬南芥SUC2具有較高的同源性；GhSUT4氨基酸序列與擬南芥SUC4和馬鈴薯、番茄SUT4同源性較高。Real-Time PCR分析結(jié)果顯示，GhSUT1主要在“源”器官中（棉花葉片與莖）優(yōu)勢表達(dá)，而在纖維和胚珠（“庫”器官）中表達(dá)水平很低。而GhSUT4除在莖中表達(dá)高外，在纖維（“庫”）中也有優(yōu)勢表達(dá)。
　　將GhSUT1與GhSUT4的上游調(diào)控序列與GUS報告基

4、因融合構(gòu)建植物表達(dá)載體并分別轉(zhuǎn)入煙草和棉花。轉(zhuǎn)基因植株GUS染色結(jié)果表明，在煙草及棉花的莖和葉片中GhSUT1啟動子的GUS信號比pGhSUT4強(qiáng)。在15-DPA棉鈴中，GhSUT4啟動子的GUS活性強(qiáng)于pGhSUT1，該結(jié)果與GhSUT1和GhSUT4在野生型棉花中的表達(dá)特性相吻合。
　　2.GhSUT1與GhSUT4在細(xì)胞中的定位與功能驗證
　　煙草瞬時表達(dá)系統(tǒng)定位分析結(jié)果表明，GhSUT1與GhSUT4均定位在細(xì)胞質(zhì)膜

5、上。酵母功能互補(bǔ)實驗證明GhSUT1與GhSUT4均具有吸收轉(zhuǎn)運蔗糖的功能。
　　3.上/下調(diào)GhSUT1表達(dá)水平對棉花同化物分配及產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的影響
　　利用組成型啟動子超表達(dá)和干擾GhSUT1，獲得轉(zhuǎn)基因棉花。GhSUT1表達(dá)上調(diào)后T1代轉(zhuǎn)基因植株葉片中可溶性總糖含量降低了14.2%，纖維和胚珠中可溶性總糖含量變化不明顯。GhSUT1超表達(dá)轉(zhuǎn)基因棉花的產(chǎn)量因子與纖維品質(zhì)性狀均無明顯變化。而GhSUT1表達(dá)受到干擾后，T

6、1代轉(zhuǎn)基因植株葉片中可溶性總糖增加了15.6%，淀粉含量提高17.2%，葉片與野生型相比增大15.1%，纖維和胚珠中可溶性總糖含量增加21.6%。轉(zhuǎn)基因棉花的鈴重增加7.6%，但單株鈴數(shù)也有降低；衣指升高6.8%，單粒種子上成熟纖維數(shù)量增加12.0%，纖維長度與馬克隆值無明顯變化。由于GhSUT1主要是在葉片中表達(dá)，推測GhSUT1可能主要參與了葉片蔗糖在韌皮部的裝載，干擾此基因的表達(dá)導(dǎo)致棉花葉片糖的積累。
　　4.上/下調(diào)GhS

7、UT4表達(dá)水平對棉花同化物分配及產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的影響
　　上調(diào)GhSUT4表達(dá)后T1代轉(zhuǎn)基因植株葉片可溶性總糖含量降低了20.6%，纖維與胚珠中可溶性總糖含量升高28.4%，鈴重增加8.1%，衣指提高8.9%，單粒種子上成熟纖維數(shù)量增加25.5%，纖維長度與馬克隆值變化不明顯。上調(diào)GhSUT4轉(zhuǎn)基因材料的農(nóng)藝性狀變化與GhSUT1表達(dá)下調(diào)相似。與干擾GhSUT1表達(dá)的結(jié)果相反，下調(diào)GhSUT4的表達(dá)，T1代轉(zhuǎn)基因植株葉片以及單株棉

8、鈴內(nèi)可溶性總糖含量減少，鈴重降低30.9%，衣指下降了25.6%，子指減少18.1%，單株結(jié)鈴數(shù)下降41.5%，成熟纖維馬克隆值也降低，但纖維數(shù)量無明顯變化。結(jié)合GhSUT4在棉花各部位的表達(dá)模式，推測GhSUT4主要參與“庫”中蔗糖韌皮部的卸載。
　　5. GhSUT1和GhSUT4表達(dá)水平下調(diào)對其它SUT基因表達(dá)的影響
　　下調(diào)GhSUT1導(dǎo)致GhSUT5、GhSUT7和GhSUT9基因的表達(dá)水平明顯下調(diào)，GhSUT2、

9、GhSUT4和GhSUT6表達(dá)增加。與此相反，抑制GhSUT4基因的表達(dá)，GhSUT1、GhSUT5和GhSUT9基因表達(dá)明顯增加，其它幾種SUT均無明顯變化。該結(jié)果從另一個側(cè)面反映了GhSUT1和GhSUT4在棉花光合產(chǎn)物運輸分配中的功能有所不同。
　　上述結(jié)果表明，GhSUT1主要在源葉器官中作用，促進(jìn)蔗糖從葉片向外的運輸，可能在葉片韌皮部起裝載蔗糖的作用；而GhSUT4則在纖維和胚珠等“庫”器官中作用，可能承擔(dān)蔗糖在韌皮部的