棉花是世界上广泛种植的经济作物。随着纺织工业需求的不断增长和创新,棉花生产需要高产、优质的棉花新品种。因此,提高产量和纤维品质是棉花育种者的长期目标。基因改造为改善棉花纤维性状提供了强有力的工具。有诸多基因工程对棉花纤维品质性状有明显的改良作用。通过调控肌动蛋白对改善纤维品质是一种十分有效的手段。增强F-actin的重组或聚合(下调GhADF1或超量表达GhWLIM1a、GhFIM2和RABA4c等基因),转基因棉花纤维变长;提高纤维强度以及皮棉产量。蔗糖在棉纤维的发育过程中是不可缺少的物质之一,过表达蔗糖合成酶基因(GhSusA1、StSUS和ZmSUS1等)的转基因棉花显著增加了纤维长度和强度。此外,还有诸多基因能够改良纤维品质。各种植物激素如吲哚乙酸,赤霉素,油菜素内酯等能促进棉纤维的起始和伸长,增加纤维长度。生长素在促进纤维起始方面发挥了十分重要的作用。课题组前期通过精确地增强胚珠表皮中的生长素生物合成,创制的FBP7::iaaM(简称FM)转基因棉花增加胚珠表皮生长素含量,显著提高皮棉产量、改善纤维细度。棉花中GTP结合蛋白GhROP6,具有结合GTP的活性状态和结合GDP的失活状态。课题组前期对GhROP6的研究发现,超量表达和激活态GhROP6通过促进棉花生长素出胞载体GhPIN3a的内吞,降低GhPIN3a在纤维细胞质膜上的蛋白丰度,进而介导生长素的极性转运,促进纤维起始。同时发现超量表达和激活态的GhROP6的转基因棉花增加成熟纤维长度,表明其可能在改良纤维方面的价值。尽管基因工程已经成功地改变了陆地棉的纤维性状,但是迄今为止用于棉花纤维性状基因工程改良的基因在田间的有效性所做的工作有限,部分结果还尚待田间试验的评估。此外,由于皮棉产量和纤维品质之间经常出现负相关,因此在提高棉花产量的同时获得令人满意的纤维品质方面进展甚微。本研究对超量表达不同活性状态GhROP6蛋白的转基因棉花田间性状进行评估。结合该棉花调控胚珠表皮生长素分配的特点,将其与增加胚珠表皮生长素含量的FBP7::iaaM9转基因棉花进行杂交,并进一步评估不同杂交组合的田间表现。分析不同杂交组合后代在产量(籽棉产量,皮棉产量及衣分等)和纤维品质(长度,强度和马克隆值等)方面的性状表现。论文的主要结果如下:1.GhROP6转基因棉花促进纤维伸长,但田间性状表现不佳观察GhROP6转基因棉花开花当天纤维起始,超量表达激活态35S::CAGhROP6(Constitutively Active,简称CA)转基因纤维细胞起始密度较对照棉花(Null,分离的非转基因棉)低;而超量表达失PF-02341066溶解度活态35S::DN-GhROP6(Dominantly Negative,简称DN)转基因棉花纤维细胞起始密度高于对照。同时过表达35S::GhROP6(Overexpression,简称OX)和CA棉纤维相对于对照伸长更快,DN棉纤维伸长短于对照。表明GhROP6的超量表达或超量表达激活形式促进纤维起始和伸长,而失活态的GhROP6抑制纤维起始和伸长。但GhROP6转基因棉花纤维检测结果显示OX和CA成熟纤维长度与Null接近,甚至变短。除了超量表达DN转基因衣分略微较对照高,其他转基因棉花各项指标较对照无明显差异,甚至有些指标如衣指、棉铃重等低于对照,田间性状表现不佳。2.增加生长素供给进一步促进GhROP6转基因棉纤维的发育检测GhROP6棉纤维长度变短,推测可能是由于生长素供给不足导致。我们检测开花当天胚珠生长素水平。检测发现,OX和对照Null水平相当;CA和DN均低于对照,推测是由于GhROP6蛋白的突变导致GhROP6蛋白不能受到棉花内源机制的调控,使生长素分配不均匀。外源添加生长素,胚珠培养结果表明增加生长素供给显著促进了CA和DN的纤维长度,尤其是CA-GhROP6胚珠纤维。通过聚合生长素生物合成基因FBP7::iaaM,内源提高胚珠表皮生长素水平。纤维起始细胞密度发现FBP7::iaaM×35S::CA-GhROP6(简称FM×CA)与对照FBP7::iaaM×Null(简称FM×Null)相当,回补了CA的纤维起始缺陷;同时促进了FBP7::iaaM×35S::DNon-HIV-immunocompromised patientsN-GhROP6(简称FM×DN)棉纤维的伸长,其纤维长度恢复到对照水平,进一步促进GhROP6转基因棉花的纤维发育。3.内源整合生长素生物合成改善GhROP6转基因棉花产量和纤维品质鉴于GhROP6棉花田间表现不佳,且增加生长素供给促进GhROP6棉花纤维发育。因此通过杂交方式遗传整合生长素生物合成基因FBP7::iaaM9,内源提高GhROP6棉花胚珠表皮生长素含量。分析结果表明,杂交棉的纤维长度和强度除了FM×DN棉花恢复到对照(FM×Null)水平外,其他杂交棉均有所提高。FM×OX,FM×CA和FM×DN杂交棉的衣分进一步得到提高,分别提高了7.2%,11.4%,16.5%;最重要的是,整合FM转基因的OX和CA杂交棉表现出高于FM×Null的价值,纤维长度、强度增加,马克隆值降低,表Tezacaftor核磁明纤维品质变得更好。其次在籽棉产量方面,FM×CA棉花的产量显著提高了17%,而其他杂交棉的籽棉产量与对照(FM×Null)相当。此外,与对照相比,FM×CA和FM×DN棉的皮棉产量显著增加(前者增加了25%,后者增加了18%),与所有杂交棉的较高衣分特性相符合。4.同时增强生长素生物合成和分配协同提高棉花产量和纤维品质在田间随机区组试验中发现杂交棉产量增加,品质变好。分析双基因的协同促进效果,杂交棉产量和纤维指标变化量均大于GhROP6和iaaM基因单独作用效果的加和。表明聚合双基因具有协同促进作用,协同改良杂交棉的产量和品质性状。综上所述,超量表达GhROP6棉纤维长度与预期不符,只在衣分上有所提高。且田间的产量表现不佳。整合生长素生物合成基因iaaM,田间试验分析表明,所有杂交棉的衣分进一步得到提高;且FM×CA,FM×DN的籽棉产量和皮棉产量较对照FM×Null均提升,尤其是FM×CA杂交组合,籽棉产量较对照提高了17%;皮棉产量较对照提高了25.4%。且对于棉纤维品质也有明显改善。表明整合生长素生物合成和分配,在FBP7::iaaM提高衣分和皮棉的基础上,提升了籽棉产量。同时数据分析表明两基因聚合具有协同改良作用,实现了棉花产量和纤维品质的同步改良。