棕色棉纖維色素前體合成與光調(diào)控的機(jī)制.pdf

1、棕色棉是一種纖維呈現(xiàn)天然棕色的彩色棉，由于其本身帶有天然的顏色，在棉花紡織生產(chǎn)過程中，可以免去漂白、消毒、染色等過程，污染少、環(huán)保健康。但是，棕色棉與白色棉相比，品質(zhì)不夠理想，存在顏色不夠純正、色素分布不均勻、色素遺傳不穩(wěn)定等缺陷，嚴(yán)重制約了棕色棉的生產(chǎn)與應(yīng)用。
　　 前人從棕色棉纖維中克隆了原花色素合途徑中的結(jié)構(gòu)基因(F3H DFR，CHI等)，結(jié)合棕色棉纖維色素化學(xué)性質(zhì)的鑒定結(jié)果，初步推斷棕色棉纖維色素的合成前體為縮合單寧，

2、即原花色素。目前對棕色棉纖維發(fā)育過程中原花色素合成、積累規(guī)律的研究較少，關(guān)于白色棉與棕色棉中原花色素合成、積累的差異鮮見報(bào)道，關(guān)于棕色棉纖維色素與原花色素的關(guān)系仍有待深入研究。
　　 棕色棉的纖維顏色形成于纖維發(fā)育的中后期階段，研究表明，纖維顏色的呈現(xiàn)與光照有關(guān)，但關(guān)于纖維色素合成過程中是否存在光質(zhì)調(diào)控尚不清楚，纖維色素合成和積累與光是否存在直接關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。
　　 本課題以棕色棉為材料，通過對纖維組織中原花色素的

3、染色分析、含量測定及其結(jié)構(gòu)基因表達(dá)分析等，研究棕色棉纖維色素合成與原花色素的關(guān)系，并結(jié)合MSAP與cDNA-AFLP技術(shù)，研究棕色棉纖維發(fā)育過程中的DNA甲基化模式變化與基因表達(dá)差異，分析棕色棉纖維發(fā)育的分子機(jī)制。同時(shí)，通過采用不同透光膜處理棕色棉幼苗，研究不同光質(zhì)對棕色棉幼苗中原花色素合成、積累的影響，探討光質(zhì)調(diào)控原花色素合成的生理與分子機(jī)制，為進(jìn)一步明確原花色素與纖維色素的關(guān)系，解決棕色棉纖維色素顏色不純正、色素分布不均勻的缺陷提供

4、理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.以棕色棉和白色棉為材料，采用DMACA和TBO對不同發(fā)育階段纖維組織進(jìn)行化學(xué)染色，并對纖維發(fā)育過程中，纖維組織中的原花色素含量變化與結(jié)構(gòu)基因Gh CHS、GhF3H、GhDFR、GhANS與GhANR表達(dá)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，棕色棉和白色棉纖維中原花色素的合成起始于纖維細(xì)胞的突起階段，但白色棉纖維中原花色素含量低，并在5DPA后開始降低，20DPA時(shí)就檢測不到原花色素；而在棕色棉纖維發(fā)育的5

5、-40DPA時(shí)期，纖維中原花色素含量較高，呈先升后降的趨勢，在15DPA原花色素含量最高，并且，在棕色棉纖維中，原花色素合成的結(jié)構(gòu)基因GhCHS、GhF3H、GhDFR、GhANS與GhANR只在纖維發(fā)育的早、中期表達(dá)，在花后10天、15天表達(dá)量最高，花后15天后表達(dá)減弱.纖維生長發(fā)育后期表達(dá)可能較低。
　　 2.利用MSAP與cDNA-AFLP技術(shù)研究棕色棉纖維發(fā)育過程中(5DPA-25DPA)的DNA甲基化模式變化與基因表達(dá)

6、差異。66對MSAP選擴(kuò)引物每個(gè)樣品平均共擴(kuò)增出1010.5個(gè)帶型，每對引物擴(kuò)增出11-27個(gè)片段，平均15.31個(gè)片段。隨著纖維發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，纖維DNA甲基化條帶總數(shù)、甲基化比率、全甲基化比率逐漸升高，纖維發(fā)育的過程中，DNA發(fā)生甲基化的位點(diǎn)數(shù)逐漸增多。采用64對cDNA-AFLP的引物組合，每對引物組合擴(kuò)增的總條帶數(shù)在32-51條之間，平均39.8條，其中，有75條轉(zhuǎn)錄衍生片段呈多態(tài)性。通過對30條多態(tài)性轉(zhuǎn)錄衍生片段的克隆、測序與

7、同源性分析發(fā)現(xiàn)，30條序列中與已知的棉花相關(guān)序列同源性較高的序列較多，共有19條來自于棉屬植物。而根據(jù)30條轉(zhuǎn)錄衍生片段的Blast比對結(jié)果，有13條轉(zhuǎn)錄衍生片段和報(bào)道的已知功能的基因同源，其余17條轉(zhuǎn)錄衍生片段的功能未知。
　　 3.采用紅、黃、藍(lán)、白四種透光膜處理棕色棉幼苗，研究光質(zhì)對棕色棉原花色素、表型性狀及其光合系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，紅膜處理能提高棉花幼苗各組織中原花色素含量，黃膜與藍(lán)膜處理對原花色素合成、積累有抑制作用

8、：紅膜、黃膜處理對植物的生長有促進(jìn)作用、藍(lán)膜處理可促進(jìn)棉花幼苗根系生長，但會(huì)抑制植株生長；而經(jīng)黃膜、藍(lán)膜與紅膜處理后，棕色棉幼苗光能的利用效率降低，凈光合速率也發(fā)生明顯下降，光合產(chǎn)物積累減少，但白膜處理的棕色棉植株仍能較好的吸收、轉(zhuǎn)換、利用光能，并能保持較高的凈光合速率。
　　 4.利用MSAP技術(shù)研究不同透光膜處理對棕色棉幼苗DNA甲基化模式和水平變化的影響，探討光質(zhì)對棕色棉生長、發(fā)育影響的表觀遺傳機(jī)制。選取了66對MSAP選

9、擴(kuò)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng)，每個(gè)樣品平均共擴(kuò)增出1300.5個(gè)帶型，每對引物擴(kuò)增出15-32個(gè)片段，平均19.7個(gè)片段。經(jīng)不同膜處理后，紅膜、黃膜和藍(lán)膜處理均增加了棉花DNA總甲基和全甲基化的比率，但藍(lán)膜處理降低了棉花DNA半甲基化比例。對甲基化多態(tài)性片段的測序、分析表明，DNA甲基化發(fā)生改變的位點(diǎn)既存在于基因組的編碼區(qū)，也存在于非編碼區(qū)；棉花幼苗中丙酮酸激酶同源基因Seq1與水通道蛋白同源基因Seq4的表達(dá)受光質(zhì)調(diào)控，基因的激活表達(dá)與其