棉花是重要的经济作物
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棉花是重要的经济作物,也是纺织工业的主导原料,在世界及我国国民经济中占重要地位。20世纪80年代以来,我国棉花彻底结束了原棉长期依赖进口的历史,棉纺织品和服装已成为大宗出口商品,占全国商品出口总值的20%左右,对国民经济发展起着重要作用。近15 年来我国育成的棉花品种产量略高于美国,纤维品质则有些差距。我国当家品种的纤维品质中等,基本能满足纺织工业的要求,但品质单一,纤维强度偏低,纺高支纱的优质棉需大量进口。随着植物基因组计划的不断发展,对作物进行分子设计和基因工程改良是21世纪植物科学领域中的重要课题[项时康]。目前,国内外对利用分子生物学手段改良棉纤维品质研究很多,取得了一些进展[张天真]。本文综述了棉纤维品质改良的转基因育种取得的进展。

1. 棉花纤维发育相关基因的研究状况

棉纤维是胚珠表皮单个细胞分化而来。所有的胚珠表皮细胞都具有分化成棉纤维的潜能,但最终只有30%可形成纤维。表皮细胞经细胞分化启始、伸长、加厚、脱水成熟四个阶段,其中,纤维伸长和加厚两个阶段有部分重叠[Basraa]。棉纤维发育过程中,有数千个活跃的基因[Gravesda],棉纤维发育的分子机理研究起步较晚,但进展很快[张天真]。

1.1 棉花纤维起始相关的基因

棉纤维的起始发育是在棉花开花前0~3 天完成的,首先是胚珠表皮细胞向外发生突起。胚珠表皮细胞的突起存在两个高峰期,第一个高峰期发生突起的胚珠表皮细胞发育成长绒, 第二个高峰期发生突起的胚珠表皮细胞发育成短绒。开花前16 小时,胚珠表皮层出现亮、暗两类细胞,暗细胞由于液泡内酚类物质进入细胞质内,破坏了胞质内的IAA 氧化酶相应提高了IAA 的活性,从而促使表皮细胞的突起,进而促使纤维的伸长(潘家驹,1998) 。

棉花基因组中大约有200 多个MYB 基因。研究表明MYB 基因家族的多个成员在棉纤维发育的初始阶段与伸展阶段在胚珠中表达, 等(1999)从棉纤维克隆到MYB (转录因子之一) 基因家族的6个成员( A ,D ,G ,J ,N ,O) ,并根据其表达特征提出,MYB 基因对棉纤维分化起了主要作用[Loguercio]。

在纤维起始阶段同样具有高水平转录表达量的基因有:能够打断纤维素微丝间的氢键,使细胞疏松延展的Expansion 基因、可能与棉纤维中多糖物质的合成或降解有关的E6基因

【Maliyakal 和Laura 】、GhIAA16基因【Suo 等】、蔗糖合成酶基因(SuSy )【Ruan 和Prem (1998)】。

1.2棉花纤维伸长相关的基因

棉纤维细胞纵向伸长(约伸长1000~3000 倍) 是其延伸的主要表现,其间直径亦有所增大。棉纤维细胞纵向、横向延伸是膨压驱动的结果。棉纤维细胞的伸长受多因素的影响,包括细胞壁合成物质,膨胀压的反作用力,膜脂质、细胞壁元素及相关蛋白质的生物合成,以及这些新合成物质向它们最终作用位点的转移过程。

在纤维伸长的过程中,与细胞膨胀压相关的原生质膜质子转移ATP 酶,液泡离子转移ATP 酶,质子转移焦磷酸激酶、磷酸烯醇丙酮酸羰基转移酶及α-微管束蛋白相关基因,除了质子转移焦磷酸激酶基因,其它基因在纤维细胞膨胀的高峰期大量表达。【Smart 等(1998)】。棉纤维细胞的延伸还需松弛初生壁的纤维素微纤丝网络及其与基质非纤维素多糖网络之间的交联。据研究。1,4 -β-葡聚糖酶通过松弛或剪切棉纤维细胞中的结合物从而使纤维细胞得以膨胀( Fry ,1995) .1,4 -β-内葡聚糖酶、膨胀素和内木葡聚糖转移酶基因的转录在纤维伸长期保持高水平(Orford and Timmis , 1998 ;Shimizu et al1 , 1997) 。

此外,2个编码脂转移蛋白(LTP) 的基因-LTP3和LTP6已被克隆出,两者的表达量在纤维快速伸长期达到最高水平,两者与棉纤维初生壁的增厚有关(Ma et al1 ,1997) 。

微管束蛋白是一种非常活跃的分子,在真核细胞的分化、运动性、细胞内的运输及细胞

的形状等方面具有重要的作用。研究表明在棉纤维的伸长阶段,棉纤维细胞中有大量的α- 微管束蛋白, β-微管束蛋白,γ- 微管束蛋白,δ- 微管束蛋白,ε- 微管束蛋白,η- 微管束蛋白等多种蛋白亚基。研究组成微管束的蛋白亚基家族将会有助于更加清楚的了解棉纤维的生长机制。

1.3 棉花纤维次生壁形成的分子机制

棉花纤维细胞的次生壁的形成伴随着纤维素的大量沉积。负责合成纤维素的纤维素合成酶位于原生质膜中。纤维素合成酶有6个组成成分,是一玫瑰花状复合体。而这个复合体由36个纤维素合成酶催化亚基(CesAs )组成纤维素合成酶的各个位点。在植物中编码CesA 蛋白的基因已在陆地棉纤维中被确认。经研究有两个CesAs 基因AtCesA7(IRX3)和AtCesA 8 ( IRX1) 对次生壁中纤维素生物合成有重要作用( Taylor et al , 1999 ; 2000)。Kim 和Triplett 在2001年分离了纤维素合酶基因的一个启动子,它只在次生壁增厚期表达。这些意味着,纤维素合酶基因的表达受到转录水平的调控[Kim 和Triplett (2001)]。Ruan 等通过免疫印迹显示蔗糖合成酶在次生壁纤维素合成时(16 DPA) 达到最高量, 而在次生壁形成停止时检测不到蔗糖合成酶的存在[Ruan等,1997]。蔗糖合成酶的活性从初生壁合成到次生壁形成增加3倍,并且一直持续到纤维的成熟。此外,H6基因在棉纤维中优势表达,其转录与纤维伸长基本同时开始,但其转录产物的表达在次生壁形成时才开始,H6基因可能编码含脯氨酸的次生壁结构蛋白(John and Keller ,1995) 。Zhao 等研究发现,GhRGP1 基因在棉纤维中优势表达,其被认为可能参与了棉纤维细胞壁中非纤维素多糖的合成[Zhao等]。

1.4 棉花纤维成熟的分子机制

次生壁形成期结束后,棉纤维进入脱水成熟期。棉纤维的成熟过程伴随着矿物质与蛋白质水平的变化,成熟的棉纤维大约含有89 %的纤维素。但目前对棉纤维细胞进入程序性死亡的分子机制尚不清楚,有待进一步研究。已克隆的FbL2A 基因在棉纤维发育过程优势表达,其表达受发育调控,据推测,此基因编码的亲水蛋白在纤维脱水成熟时可保护细胞结构

[](Rinehart et al , 1996) 。

2. 棉纤维品质改良转基因育种

2.1 通过转基因改良纤维强度

近年来,棉纤维品质的分子育种取得了显著进展,已申请了l3项专利。利用棉纤维特异表达启动子,Haigler 等人把蔗糖合成酶基因导入棉花,不仅提高了棉花产量,而且显著改善了棉花的纤维品质[Haigler]。John 等人把棉花中克隆出的过氧化物酶基因连接到棉纤维发育的专化启动子E6-3B 和B8后,导入棉花,转基因棉花的纤维强度显著改善。选出的一株转基因棉花的纤维强度比对照" 岱字棉50" 提高62%[John]。动物毛发由许多角蛋白组成。例如,羊毛便由来自多基因家族的50~100个角蛋白组成。中国科学院上海植物生理生态研究所陈晓亚研究员领导的课题组从兔毛中分离出角蛋白基因并连接到亚洲棉E6启动子后,通过花粉管通道法导入棉花。转基因棉花植株既具有传统棉花轻盈和柔软的特点,又具有动物毛发的韧性强、保暖性好、手感好等特性。该基因工程产品在不增加棉花成本的前提下,增强了棉纤维的使用价值[张天真]。国内一些单位也利用已报道的棉纤维特异表达启动子与蚕丝蛋白或蛛丝蛋白基因构建成载体,并转入棉花植株中,以表达外源蛋白基因,产生强度好、韧性优的优质纤维,有效改良棉花纤维品质。

2.2 利用聚羟基丁酸改良纤维的保温性

John 和Keller 利用PCR 技术从A.eutrophus 扩增出编码多羟基链烷酸的phaB 和phaC 基因,以进一步在棉纤维中合成聚一3一羟基丁酸(PHB)。他们把phaB 连接到棉花纤维专化启动子E6与FbL2A 后,把phaC 基因连接到CaMV35S 启动子后。在另外一组试验中,他们还把phaA ,phaB 和phaC/35S接入一段编码豌豆叶绿体Rubisco 小亚基转运肽的DNA 片段,将表达产物定位于质体中。通过基因枪遗传转化方法导入陆地棉品种,目的基因得到表达,

在棉纤维中产生了PHB 。导热性测验表明,#7l48转基因品系的导热性为0.264 W/m-K ,比对照" 岱字棉50" 低6.7%。保温性测定表明,在36℃下,#7148的保温性比对照" 岱字棉50" 增加8.6%,而在60℃下,则增加44.5%。这种棉花具有良好的市场开发潜力【John 和Keller,1996】。

2.3 利用色素合成酶基因改良棉花纤维的色泽

天然棉花纤维色泽种类单调,主色为白色,虽有棕色和绿色,但性状的稳定性差。在目前还没有克隆出棉花自身调控颜色基因的情况下,棉花纤维颜色的改良只好主要依赖于棉花以外的基因资源。棉花纤维在发育后期,若色素沉积在纤维腔内,则会呈现出色彩。Calgene 公司将黑色素合成基因(melanin基因) 连接到pz 启动子后,导入到棉花。PZ 是从番茄中分离出来的一个胚珠专化表达的启动子。转基因棉花产生深褐色或黑色的纤维。这种转基因的彩色棉已种了60000英亩。转基因的蓝色、红色和棕色棉花也将很快商业化生产。这种彩色棉花纤维的出现,可以满足环保、生态、自然等方面的需求[Mcbride]。

3. 展望

按照人类的需求对棉花进行分子设计,用基因工程技术进行品质改良,以期让棉花更好地为人类服务,是研究者们的良好愿望。由于棉花是四倍体,基因组大,对棉花基因组的研究难度大,以致进展缓慢[刘进元]。做好棉花基因组学的相关研究,使之更好的为棉花高产育种、优质育种服务,我们可以从以下几方面进一步开展工作。

3.1 制定明确的品种改良目标

近年来,对棉花进行分子改良的目标集中在纤维的强度,长度以及颜色上,从长远来看,除了纤维长度、强度和颜色外, 纤维的吸水性, 抗皱缩性, 染料亲和性和保暖性等都应该是棉纤维改良的目标性状。

3.2 棉花纤维特异表达基因的大规模解析

采用功能基因组学方法,大规模分离品质性状相关基因,建立较为完整的纤维发育相关基因文库,进而对棉纤维品质性状开展深入系统的基础性研究,最终阐明优质性状形成的遗传基础与调控机理,获得大量的与优质纤维基因相关的标记和基因,为建立品质性状分子改良的技术体系提供理论指导[郭旺珍]。

3.3 开发新技术。加速研究进程

因为棉花生长周期长,且纤维是生长后期的产物,即使有很好的目的基因,很高效的启动元件,要完成基因工程改良也周期太长。一般对棉花在花期进行转化,要待到第二年种子长成植株形成纤维时,才能检测出转基因的效果。能否开发出快速转基因技术是左右基因工程改良进程的关键。若能在用基因枪或微注射技术对棉花胚珠进行成功转化的基础上,开发出可在当代检测的技术,则会大大加快棉花纤维基因工程的步伐。

与发达国家相比,我国在棉花基因组学和棉纤维品质遗传基础与改良方面研究的深度和广度上还存在着明显的差距。1999年起,我国863 高科技项目以及转基因专项也开始资助棉纤维发育的基因克隆与转基因育种的研究。因此, 国内外竞争非常激烈,我国许多科学家正开始在相应的研究领域,针对国内棉花品质性状改良的理论与技术需求,依靠我国资源优势,开展一系列创新性的探索。因此,我们有理由相信, 在不久的将来, 棉纤维发育的分子机理将会有一个大的突破。

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