蔗糖轉運蛋白GhSUT1與GhSUT4在棉花光合產物分配中的功能.pdf

1、棉花是我國重要的經濟作物，在我國的國民經濟中地位突出。培育高產優(yōu)質的棉花新品種一直是棉花研究領域的重要課題。纖維和種子是棉花的主要經濟產物，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，棉花產量和品質與光合產物的運輸分配密切相關。
　　蔗糖是大多數高等植物光合作用同化產物的主要運輸形式，可為植物的生長發(fā)育提供碳源與能量。植物光合作用產生的蔗糖大部分經韌皮部的長距離運輸到達庫組織，在其運輸過程中位于

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

3、　同源性分析發(fā)現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分析結果顯示，GhSUT1主要在“源”器官中（棉花葉片與莖）優(yōu)勢表達，而在纖維和胚珠（“庫”器官）中表達水平很低。而GhSUT4除在莖中表達高外，在纖維（“庫”）中也有優(yōu)勢表達。
　　將GhSUT1與GhSUT4的上游調控序列與GUS報告基

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

5、上。酵母功能互補實驗證明GhSUT1與GhSUT4均具有吸收轉運蔗糖的功能。
　　3.上/下調GhSUT1表達水平對棉花同化物分配及產量和品質性狀的影響
　　利用組成型啟動子超表達和干擾GhSUT1，獲得轉基因棉花。GhSUT1表達上調后T1代轉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超表達轉基因棉花的產量因子與纖維品質性狀均無明顯變化。而GhSUT1表達受到干擾后，T

6、1代轉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%。轉基因棉花的鈴重增加7.6%，但單株鈴數也有降低；衣指升高6.8%，單粒種子上成熟纖維數量增加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，推測GhSUT1可能主要參與了葉片蔗糖在韌皮部的裝載，干擾此基因的表達導致棉花葉片糖的積累。
　　4.上/下調GhS

7、UT4表達水平對棉花同化物分配及產量和品質性狀的影響
　　上調GhSUT4表達后T1代轉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量增加25.5%，纖維長度與馬克隆值變化不明顯。上調GhSUT4轉基因材料的農藝性狀變化與GhSUT1表達下調相似。與干擾GhSUT1表達的結果相反，下調GhSUT4的表達，T1代轉基因植株葉片以及單株棉

8、鈴內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%，單株結鈴數下降41.5%，成熟纖維馬克隆值也降低，但纖維數量無明顯變化。結合GhSUT4在棉花各部位的表達模式，推測GhSUT4主要參與“庫”中蔗糖韌皮部的卸載。
　　5. GhSUT1和GhSUT4表達水平下調對其它SUT基因表達的影響
　　下調GhSUT1導致GhSUT5、GhSUT7和GhSUT9基因的表達水平明顯下調，GhSUT2、

9、GhSUT4和GhSUT6表達增加。與此相反，抑制GhSUT4基因的表達，GhSUT1、GhSUT5和GhSUT9基因表達明顯增加，其它幾種SUT均無明顯變化。該結果從另一個側面反映了GhSUT1和GhSUT4在棉花光合產物運輸分配中的功能有所不同。
　　上述結果表明，GhSUT1主要在源葉器官中作用，促進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，可能承擔蔗糖在韌皮部的