陆地棉纤维次生壁加厚期基因表达谱分析

摘要

棉纤维是重要的天然纤维,纤维细胞也是研究植物细胞伸长、细胞壁合成生理和发育过程的良好模式材料。随着基因芯片、高通量测序等现代分子生物学分析手段的不断发展和成熟,棉纤维发育分子机理得到了较为深入的研究,并取得了一系列的重要进展。然而这些研究主要集中在纤维细胞的起始和伸长阶段,次生壁加厚的分子机制研究还相对较少。棉纤维次生壁加厚期(大约15-40DPA左右)是纤维比强度形成的关键时期,研究次生壁加厚的分子机制,可为棉纤维次生壁加厚相关基因的克隆奠定基础,同时也为深入挖掘棉纤维品质性状重要基因,并将其用于棉纤维品质性状的改良奠定基础。
　　 本研究以高纤维强度材料0-153和转基因抗虫棉sGK9708为亲本构建的高代重组自交系群体(F6:8)中纤维强度具有显著差异的两个系作为材料,利用cDNA芯片技术(北京大学和博奥生物有限公司共同构建的29K棉花全基因组cDNA芯片,包括29185个探针序列),对纤维不同发育时期(10、15、20、23DPA)的基因表达谱进行研究。根据芯片中基因表达量的变化,筛选出差异表达基因并对其进行GO功能显著性富集分析,寻找与棉纤维次生壁加厚相关的候选基因。本研究结果如下:
　　 1、在本研究中,大量的差异表达基因在两材料不同发育时间点上被检测到。高比强材料相邻时间点上共筛选到差异表达基因3802个,占cDNA芯片基因序列的13.03％；在低比强材料相邻时间点上共筛选到差异表达基因7146个,占cDNA芯片基因序列的24.49％。在两材料相同时间点上共检测到差异表达基因5228个,占cDNA芯片基因序列的17.91％。
　　 2、从差异表达基因中选择9个代表性基因利用荧光定量PCR进行验证,其表达模式与芯片数据一致,证明本研究中的芯片结果可靠。上述9个基因包括棉纤维在伸长期和次生壁加厚期的阶段性特异表达基因:扩展蛋白(GhExp1、GhExp2)、纤维素合成酶(GhCesA1、GhCesA2)、蔗糖合成酶(GhSuS)、β—1,3-葡聚糖酶(beta-1,3-glucanase)；此外,还包括通过GO功能显著性富集分析发现在两材料中显著差异表达并富集的基因:水通道蛋白(GhAQP)、小GTP酶结合蛋白Rac13(GhRac13)、依赖于RNA的RNA聚合酶(AtSDE1)。
　　 3、通过对伸长期(GhExp)和次生壁加厚期(CesA、beta-1,3-glucanase)标志基因的表达模式研究发现,两个材料纤维发育进程不同步,高强纤维材料比低强纤维材料晚进入次生壁加厚期。
　　 4、利用Blast2GO软件对差异表达基因进行富集分析发现小G蛋白和依赖于RNA的RNA聚合酶活性基因在两材料中的表达模式具有时间差异性。这种表达模式的差异可能是导致两材料纤维发育不同步,从而影响棉纤维强度性状的重要原因之一。在棉纤维伸长期,生长素信号响应、脂肪酸代谢和细胞松弛有关基因大量表达,而进入次生壁加厚期以后,上述基因表达减少,而与纤维素合成等碳循环相关基因表达量剧增,暗示纤维发育进入次生壁加厚期后细胞内代谢集中流向纤维素合成。由此推测,控制碳流向的关键调控基因可能是棉纤维细胞由伸长过渡到次生壁加厚阶段的重要调控基因。此外,类黄酮合成和类苯基丙烷合成等次生代谢在低比强材料中15DPA时出现了富集。次生代谢是否影响棉纤维品质及次生代谢与棉纤维发育的关系均需要进一步的研究。