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棉纤维伸长关键基因成功克隆


本站编辑  文章来源:中国科学报  点击数:875  更新时间:2014-12-02
 GhHOX3在纤维伸长的过程中发挥了重要作用,左右GhHOX3在棉花体中的表达就可以让“自如延展”。陈晓亚说,“这是迄今为止发现的控制棉纤维长度最有价值的基因之一”。

  GhHOX3 通过赤霉素信号调控棉纤维伸长。

  在竹炭纤维等新概念入侵的当下,纯棉衣物仍以其舒适度高、透气佳、亲肤等优点在大多数人的衣柜里占据着一席之地。国人对棉纤维的需求不减,而我国优质棉产量却存在着巨大的缺口。近日,中科院上海生科院植物生理生态研究所陈晓亚院士研究组最新克隆鉴定了一个控制棉纤维伸长的,将有助于缓解这一矛盾。11月21日,相关研究论文发表于国际学术期刊《自然—通讯》上。

  让棉纤维“自如延展”的基因

  据统计,全世界超过80个国家种植棉花。中国是最大的原棉生产国和消费国,直接从事棉纺织及相关行业的人员达到2000多万,间接从业人员多达1亿。棉纺产业在我国国民经济中具有举足轻重的地位,而我国每年的棉花自给率只有70%左右,高档优质原棉的自给率更低,每年需进口一百多万吨优质原棉。

  棉纤维是最受消费者欢迎的纺织材料,而棉纤维长度则是棉花品质的重要指标。研究人员告诉记者,棉纤维是由棉花种子表皮细胞分化而来,是高等植物中伸长最快、合成纤维素最多的单细胞。其发育过程可分为分化与突起、迅速伸长、次生壁合成以及脱水成熟4个部分重叠的时期,其中纤维伸长和次生壁合成与品质性状的关系最为密切。

  “然而到目前为止,关于棉纤维发育、尤其是纤维伸长调控的研究还相对较少。”陈晓亚不无遗憾地说。通过关联分析和遗传定位,他们发现了一个含有同源异型框的转录因子GhHOX3与棉纤维伸长相关。

  此次他们“捕获”的名为“GhHOX3”的基因隐藏在棉花众多基因中,是具有重要育种价值的棉纤维伸长基因。研究组发现GhHOX3编码一个转录因子,通过与赤霉素途径的负调控因子DELLA蛋白结合响应,促进棉纤维细胞伸长,为进一步解析植物细胞伸长的分子机理、克隆棉纤维发育新基因打下了基础,也为棉纤维品质改良提供了靶标基因。

  “在棉花体中提高GhHOX3的表达可以增加棉纤维长度,而抑制该基因表达则可使纤维显著变短。”陈晓亚随后向记者展示了一幅棉纤维特写图,左右两边分别是实验室调节GhHOX3表达后生长的两种不一样的棉纤维。图中清晰可见GhHOX3低表达的棉纤维展开仅一厘米左右的长度,而GhHOX3高表达的棉纤维长度则是低表达棉纤维的几倍。

  GhHOX3在纤维伸长的过程中发挥了重要作用,左右GhHOX3在棉花体中的表达就可以让棉纤维“自如延展”。陈晓亚说:“这是迄今为止发现的控制棉纤维长度最有价值的基因之一。”

  解密“绿色革命激素”与棉纤维

  找到控制绵纤维长度的关键基因后,俗称“绿色革命激素”的赤霉素促进绵纤维伸长的作用机理问题也迎刃而解。

  上世纪中期开始,小麦、水稻半矮秆新品种在全世界范围内得到大面积的推广应用,解决了作物“高产倒伏”的矛盾,使得世界粮食总产在短时间内大幅度提高,从而在全世界范围内解决了当时由于人口快速增长对粮食安全带来的严峻危机,正是植物激素“赤霉素”的巨大生物学效应带来了造福全人类的这场“绿色革命”。

  “赤霉素促进植物细胞伸长,但赤霉素促进棉纤维伸长的作用机理以往并不清楚。”陈晓亚告诉记者。

  研究组为揭示植物激素赤霉素在纤维发育过程中的调控机理,在实验中将GhHOX3作为“诱饵”进行筛选,发现它可与同一类的另一转录因子结合,形成与棉纤维伸长相关的异源二聚体;而赤霉素途径的负调控因子DELLA蛋白则会与该转录因子“竞争”,“抢占”与GhHOX3结合的“先机”,阻碍二聚体的形成。在赤霉素浓度升高时,DELLA蛋白被迅速降解,与之“绑定”的GhHOX3得以“释放”,形成高活性的二聚体,激活下游,促进棉纤维伸长。

  更多隐藏下游基因“出世”

  GhHOX3被克隆鉴定让科学家可以“锁定”目标,通过实验手段“改造” GhHOX3,让它作用于棉纤维后使棉纤维变得更长。“从目前的实验结果来看,这种伸长还不是很明显。”陈晓亚说。

  除了在GhHOX3自身上“做文章”以外,科学家还可以用它做“鱼铒”, “钓”到一系列与棉纤维伸长有关的下游基因。

  “在我们研究组此前发表的论文中,已经发现有两个棉花细胞壁松弛蛋白基因对棉纤维发育具有促进作用。这次的实验我们进一步证明,GhHOX3可以直接结合这两个基因启动子上的顺式元件并激活它们的表达,而细胞壁延展正是棉纤维伸长的必需条件。”陈晓亚说。

  这两个棉花细胞壁松驰蛋白基因就是GhHOX3众多下游基因的其中两个。纤维的伸长是一个复杂的调控过程,为进一步发掘GhHOX3的其他下游基因,研究组通过高通量测序技术筛选到90个差异表达的功能基因,为棉纤维品质改良提供了一批重要候选基因。

  未来也许会有更多的功能基因被挖掘,今后的研究将进一步选拔出其中的佼佼者,看谁能在培育优质棉上拔得头筹,从这支庞大的候选队伍中脱颖而出。(林滨霞 黄辛)



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