菜油甾醇和谷甾醇對(duì)棉花纖維發(fā)育的影響.pdf

1、棉花是世界上重要的纖維作物，棉花纖維是棉花的主要產(chǎn)品，由棉花胚珠外珠被表皮細(xì)胞經(jīng)極性伸長(zhǎng)而成。其發(fā)育過(guò)程分為四個(gè)既明顯區(qū)分又有所重疊的時(shí)期：纖維細(xì)胞的分化和起始期、纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)期、纖維細(xì)胞次生壁沉積期和脫水成熟期。經(jīng)過(guò)這四個(gè)發(fā)育時(shí)期，陸地棉成熟纖維細(xì)胞一般長(zhǎng)達(dá)20-30mm，厚度最終可達(dá)15μm。纖維細(xì)胞不僅有著極度伸長(zhǎng)的細(xì)胞形態(tài)，而且具有特殊的細(xì)胞壁組成，細(xì)胞壁中纖維素的含量可達(dá)95％左右。這些特點(diǎn)使得纖維細(xì)胞成為研究植物細(xì)胞伸長(zhǎng)，

2、纖維素合成和細(xì)胞壁沉積的理想材料。但迄今為止，纖維細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理還知之甚少。 植物甾醇是植物中一大類重要的化合物，它不僅是植物激素油菜素內(nèi)酯(Brassinolide，BL)的生物合成前體，而且是植物細(xì)胞膜的重要組成成分，近年來(lái)，對(duì)擬南芥植物甾醇生物合成缺失突變體的研究證明，植物甾醇在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有不依賴BL的獨(dú)立作用，其對(duì)細(xì)胞伸長(zhǎng)、纖維素合成和細(xì)胞壁形成過(guò)程具有重要的影響。植物甾醇合成途徑由甾醇C24—甲基轉(zhuǎn)

3、移酶(SMT2，C-24Methyltransferase)在24—Methylenelophenol(甾醇4—甲基-24—亞甲基膽甾-7—烯醇)處催化其甲基化而分成兩條途徑，一類產(chǎn)物為C24—乙基—甾醇，主要產(chǎn)物為谷甾醇；一類產(chǎn)物為C24—甲基—甾醇，主要產(chǎn)物為菜油甾醇。谷甾醇和菜油甾醇是植物中兩種主要的甾醇，占植物甾醇總量的90％左右。這兩種甾醇對(duì)植物發(fā)育的影響基本代表了植物甾醇對(duì)植物發(fā)育的作用。 為了研究谷甾醇和菜油甾醇對(duì)

4、棉花纖維生長(zhǎng)發(fā)育的影響，本論文主要從三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了探索。首先檢測(cè)了纖維細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期谷甾醇和菜油甾醇的含量及比例，分析了兩種甾醇的含量變化與纖維生長(zhǎng)發(fā)育階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系；進(jìn)而在生理生化水平用甾醇合成抑制劑處理離體培養(yǎng)的棉花纖維和室外生長(zhǎng)的棉花纖維，擾亂纖維中植物甾醇的合成，從反面證明甾醇對(duì)纖維生長(zhǎng)的影響；最后通過(guò)基因工程途徑，改變影響谷甾醇合成的關(guān)鍵酶基因GhSMT2的表達(dá)水平，從而改變纖維內(nèi)源谷甾醇的含量以及與菜油甾醇的比例，

5、在遺傳學(xué)水平明確谷甾醇和菜油甾醇對(duì)棉花纖維生長(zhǎng)發(fā)育的影響。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果如下： 一、谷甾醇和菜油甾醇在棉花纖維快速伸長(zhǎng)期的含量最高 由于在纖維生長(zhǎng)早期，難以從胚珠表面分析纖維，因此從開(kāi)花后第6天開(kāi)始分別檢測(cè)纖維和胚珠的甾醇含量。運(yùn)用GC—MS檢測(cè)了纖維和胚珠在此后各個(gè)不同發(fā)育時(shí)期菜油甾醇和谷甾醇的含量。結(jié)果顯示菜油甾醇和谷甾醇的含量從6DPA開(kāi)始上升，在8DPA時(shí)達(dá)到最高值(谷甾醇0.435±0.081mg/g，菜油甾醇

6、0.08±0.016mg/g)，其后有所下降。但整個(gè)纖維快速伸長(zhǎng)期兩種甾醇都保持在一個(gè)相對(duì)較高的水平。在15DPA時(shí)，谷甾醇的含量下降到0.306±0.036mg/g，菜油甾醇含量下降到0.062±0.090mg/g。這些結(jié)果顯示在纖維快速伸長(zhǎng)期谷甾醇和菜油甾醇具有較高的含量水平，其變化模式是隨著纖維伸長(zhǎng)速率的增加而升高，隨著纖維伸長(zhǎng)速率的降低而下降。由此說(shuō)明谷甾醇和菜油甾醇在纖維伸長(zhǎng)過(guò)程中具有重要功能。在纖維次生壁合成起始期和次生壁合

7、成期，菜油甾醇和谷甾醇的含量較低，且變化不大。進(jìn)一步說(shuō)明兩種甾醇與纖維的伸長(zhǎng)關(guān)系密切。 二、植物甾醇合成抑制劑能夠抑制棉花纖維的伸長(zhǎng) 為了進(jìn)一步證明植物甾醇在棉纖維發(fā)育中的作用，用植物甾醇合成抑制劑處理離體培養(yǎng)的棉花胚珠和植株上的棉花花蕾，觀察擾亂植物甾醇合成對(duì)棉纖維發(fā)育的影響。結(jié)果表明抑制劑可以抑制纖維的伸長(zhǎng)，在加入了抑制劑的BT培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度比對(duì)照纖維長(zhǎng)度要短6.04mm到9.51mm。同時(shí)生長(zhǎng)在高濃度抑制劑

8、培養(yǎng)基中的胚珠的生長(zhǎng)也受到了抑制，胚珠的長(zhǎng)度和直徑都比野生型的要小。用抑制劑十三嗎啉處理植株上的棉花花蕾使棉花纖維的起始受到抑制，被處理的胚珠在開(kāi)花當(dāng)天其纖維突起比野生型??；被處理的成熟纖維的長(zhǎng)度為27.17±1.56mm，而對(duì)照的長(zhǎng)度為30.00±1.64mm，處理過(guò)的纖維長(zhǎng)度縮短了9.4％。這些結(jié)果進(jìn)一步表明植物甾醇對(duì)纖維的伸長(zhǎng)具有重要作用。 三、改變內(nèi)源谷甾醇和菜油甾醇的含量將影響纖維發(fā)育 為了在遺傳學(xué)水平進(jìn)一步明

9、確菜油甾醇和谷甾醇對(duì)纖維發(fā)育的影響，本實(shí)驗(yàn)利用基因工程，改變控制谷甾醇合成的關(guān)鍵酶基因GhSMT2的表達(dá)，進(jìn)而改變內(nèi)源谷甾醇的含量以及其與菜油甾醇的比例。以植物組成性啟動(dòng)子控制GhSMT2基因在轉(zhuǎn)基因棉花中超量表達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超量表達(dá)GhSMT2基因的轉(zhuǎn)基因棉花中谷甾醇的含量有所上升，菜油甾醇的含量有所下降，菜油甾醇和谷甾醇的比值下降明顯，僅為對(duì)照植株的1/6。與此相對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)基因纖維的伸長(zhǎng)受到一定程度的抑制。胚珠培養(yǎng)10天的對(duì)照纖維長(zhǎng)