低温对棉纤维比强度形成的生理机制影响

通过设置播期试验使棉纤维加厚发育过程(铃龄25~50 d)处于不同的温度条件下,研究低温对棉花纤维比强度形成的内在生理机制影响,为采取调控措施解决目前棉花(Gossypium)生产中存在的晚熟劣质问题提供理论依据。两年试验结果表明:棉纤维加厚发育期24.0 ℃左右的日均温是高强纤维形成的最佳温度,其内在生理机制表现为棉纤维蔗糖合成酶活性最高,β_1,3_葡聚糖酶活性最低,纤维素的累积量和累积速率均明显高于其它低温条件,纤维超分子结构取向参数角较小,处于优化状态,最终表现为纤维比强度亦最大;低于21.0 ℃时即对棉纤维加厚发育相关酶活性产生明显影响,纤维比强度降低。当温度降到15.0 ℃左右时,棉纤维蔗糖合成酶活性显著降低,而β-1,3_葡聚糖酶活性显著升高,同时纤维素累积量和累积速率均显著降低,纤维超分子结构取向参数角明显宽化,棉纤维不能正常发育,不利于高强纤维的形成(铃重仅为3.22 g,纤维比强度仅为15.73 cN·tex^-1)。     

不同温度敏感性棉花纤维发育相关酶活性变化对低温的响应

选用纤维比强度形成存在温度敏感性差异的两个棉花品种（科棉1号：温度弱敏感型品种,苏棉15：温度敏感型品种）为材料,于2006—2007年在江苏南京设置大田分期播种试验,使棉纤维发育处于不同的温度条件,研究低温对棉纤维发育相关酶（蔗糖酶、蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶）活性及相应基因表达的影响.结果表明：由晚播造成的低温（棉纤维发育期日均最低温分别为21.1、20.5和18.1 ℃）影响了纤维发育相关酶的活性变化,从而影响了棉纤维素累积和纤维比强度的形成.低温提高了纤维中蔗糖酶和β-1,3-葡聚糖酶的活性,降低了蔗糖合成酶和磷酸蔗糖合成酶的活性.低温使Expansin、蔗糖合成酶基因的高表达时间延长,β-1,3-葡聚糖酶基因的表达峰值出现时间延迟,且表达量降低.两个棉花品种的纤维素合成相关酶对低温的响应存在差异,温度敏感型品种（苏棉15）的酶活性的变化幅度明显高于温度弱敏感型品种（科棉1号）, 可能是导致不同棉花品种纤维比强度形成存在温度敏感性差异的主要原因.     

氮素对不同开花期棉铃纤维比强度形成的生理基础的影响

于2005年在江苏南京(长江流域下游棉区)和徐州(黄河流域黄淮棉区)棉田设置不同氮素水平(零氮：0 kg N·hm^-2,适氮：240 kg N·hm^-2,高氮：480 kg N·hm^-2)试验,研究氮素对不同开花期棉铃(伏前桃、伏桃和秋桃)纤维比强度形成生理基础的影响.结果表明：与适氮处理相比,零氮处理显著降低了棉铃对位叶氮浓度,增加了C/N,影响程度随开花期的推迟而加大,导致伏桃、秋桃对位叶制造和运输光合产物的能力在棉铃发育中后期大幅度下降,棉纤维的相对生长速率以及纤维发育关键酶蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性降低,纤维素快速累积持续期缩短,纤维比强度显著降低;高氮处理显著增加了棉铃对位叶氮浓度,降低了C/N,影响程度随开花期的推迟而降低,其降低了伏前桃、伏桃发育过程中光合产物向纤维分配的比例、棉铃发育前中期的纤维发育关键酶活性及纤维素累积速率,导致其纤维比强度亦显著降低.综合分析认为,适宜的施氮量可以协调棉花的“源库”关系,有利于促进不同开花期棉铃高纤维比强度的形成.与适氮处理相比,零氮处理的伏前桃、伏桃和秋桃纤维比强度分别降低了1.8%、5.8%和13.0%,高氮处理则分别降低了8.2%、7.4%和-2.4%.     

棉花纤维发育关键酶对氮素的响应及其与纤维比强度形成的关系

大田栽培条件下,于2005～2006年在江苏南京（118°50′E,32°02′N,长江流域下游棉区）以美棉33B（平均比强度32cN／tex）和科棉1号（平均比强度35cN／tex）2个品种为材料,进行氮素水平（O（零氮）,240（适氮）和480kgN／hm^2（高氮））实验,研究棉花纤维发育关键酶（蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶）活性变化特征对氮素的响应及其与纤维比强度形成的关系．结果表明,棉纤维发育关键酶活性及其基因表达强度均受氮素影响,并影响棉纤维素的累积特征及纤维比强度的形成．蔗糖合成酶活性随铃龄增加呈单峰曲线,峰值出现在铃龄31天,其基因表达强度在7～21天维持较高水平;氮素水平间比较,以240kgN／hm^2处理的蔗糖合成酶活性及其基因表达强度最高,酶活性高表达持续时间长．β-1,3-葡聚糖酶活性随铃龄增加呈下降趋势,其基因表达在铃龄7～24天间呈单峰曲线,铃龄18天时达到峰值;氮素水平间比较,以240kgN／hm^2处理的β-1,3-葡聚糖酶活性最高,其基因表达量在纤维发育前期（铃龄9～12天）较低,之后大幅增加且稳定表达．240kgN／hm^2下棉纤维发育关键酶的上述变化促进纤维素累积持续期长且整个纤维发育过程中纤维素累积速率平缓,最终形成纤维比强度较高。     

低温条件下外源物质对棉株不同部位果枝棉铃纤维比强度的影响

在棉纤维加厚发育期20.0℃的日均温条件下,对棉花6~9果枝(中部果枝)和11~14果枝(上部果枝)1、2果节棉铃及其对位果枝叶分别于花后15 d和30 d,外施C/N比恒定的3种外源物质:(1)6%蔗糖和0.6%谷氨酰胺混合溶液(C+N),(2)6%蔗糖、0.6%谷氨酰胺和2μg.g-16-BA混合溶液(C+N+BA),(3)2μg.g-16-BA溶液(BA),研究低温条件下外源物质对棉株不同部位果枝棉铃纤维比强度的影响。结果表明:花后15 d外施C+N+BA可提高棉花上部果枝铃铃重和衣分,花后15 d3、0 d外施C+N+BA均可提高棉花中部果枝铃铃重和衣分。花后15 d3、0 d外施BA均有利于棉花上部果枝铃衣分的提高。花后15 d、30 d外施C+N、C+N+BA、BA均导致棉花上部果枝铃棉纤维的螺旋角和取向分布角变大,纤维比强度降低,但可优化中部果枝铃棉纤维的螺旋角和取向分布角,提高纤维比强度,且以BA处理效果最佳。     

海岛棉Sus活性变化特征及时空表达模式与纤维比强度的关系

以海岛棉(Gossypium barbadense L.)品种‘C6015’和‘新海29’(高比强度组)以及‘巴1248’和‘比马1’(低比强度组)为实验材料,利用果糖和UDPG比色法以及qRT-PCR方法,对2个实验组不同纤维发育时期蔗糖合成酶(EC 2.4.1.13,Sus)活性变化特征及其基因家族时空表达模式进行测定,并分析与纤维比强度的关系,探讨海岛棉纤维比强度差异形成的主要生理与分子机理。结果显示:(1)品种‘C6015’和‘新海29’的平均纤维比强度分别为47.5和44.7cN·tex-1,‘巴1248’和‘比马1’分别为31.2和32.6cN·tex-1,两实验组平均纤维比强度差异极显著。(2)纤维发育过程中4个海岛棉品种的Sus活性变化特征均呈单峰曲线,且低比强度组的峰值出现较早,但高比强度组的峰值以及后期活性极显著高于低比强度组。(3)海岛棉纤维发育过程中高表达的Sus基因有Sus1A、Sus1 D、Sus3A、Sus3 D、Sus6A、Sus6 D、Sus8 D,但各基因成员在纤维发育过程中具有表达特异性;其中两实验组的Sus3A基因都是在纤维次生壁加厚初期(花后20d)开始大量表达且达最大值后下降,说明Sus3A基因在纤维次生壁加厚初期起作用;Sus1A、Sus1 D基因在高比强度实验组的纤维次生壁加厚后期和末期(花后30d)相对表达量较高并有明显上升现象,而同期在低比强度实验组中相对表达量很低且无上升现象,说明Sus1A、Sus1 D基因作用于纤维次生壁加厚后期和末期。(4)两实验组的Sus活性水平及其基因家族各成员相对表达量高低与纤维次生壁加厚后期维持高活性时间的长短存在明显差异,表现为高比强度组低比强度组;且两组Sus活性高低差异与Sus3A、Sus1A、Sus1 D基因的表达差异同步。研究表明,海岛棉Sus3A、Sus1A、Sus1 D基因的表达差异与纤维比强度的形成有关,可能是影响纤维比强度的关键基因。     

南荻纤维素合成的相关生理特性

为探明南获纤维素合成相关的生理特性,研究了盆栽条件下南荻生长过程中IAA、ABA含量和纤维素合成关键酶（蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶）活性的变化及其与纤维素含量间的关系。结果显示,在整个生育期,叶片中IAA含量、蔗糖合成酶活性和β-1,3-葡聚糖酶活性变化趋势一致,均呈先升高后降低的单峰曲线变化;叶片中ABA含量与茎秆蔗糖含量均先降低后增加再降低;茎秆纤维素、半纤维素和木质素含量均随生育进程呈现升高趋势。生育前期为调控纤维素合成的关键时期,此时ABA／IAA比值下降,蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性快速上升,有利于纤维素的快速积累。     

甾醇生物合成抑制剂粉锈宁对苹果黑星病菌发育的影响

采用电子显微镜和细胞化学技术,研究了杀菌剂粉锈宁（甾醇生物合成抑制剂）对苹果黑星病菌在苹果叶片上发育的影响。观察结果表明,接种前24h施药对病菌入侵有明显的影响。表现为分生孢子的萌发受阻,推迟萌发及萌发率降低;并引起芽管畸形,不能形成附着胞。接种后6天（显症前）施药,可引起叶片角质层下菌丝细胞和子座细胞的原生质坏死、细胞壁不规则增厚及液泡增大, 从而使菌丝进一步发育受阻。接种后12天（显症后）施药,不仅导致菌丝、子座细胞发生上述变化, 而且引起分生孢子和分生孢子梗塌陷、畸形,阻止了病菌的进一步产孢和扩展。细胞化学定位分析结果表明,?-1,3-葡聚糖和几丁质这两种胞壁主要成分在对照菌丝和药剂处理后的菌丝细胞壁内含量有很大差异。在药剂处理的菌丝细胞壁中,这两种成分的标记密度明显高于对照菌丝,表明杀菌剂对病菌质膜透性的不利影响使?-1,3-葡聚糖和几丁质在菌丝细胞壁中过度累积。     

寡糖对向日葵叶片细胞病程相关蛋白及细胞壁物质的诱导作用

用寡糖对向日葵叶片进行喷雾,研究了该寡糖对向日葵叶片细胞内几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶2种病程相关蛋白(PRs蛋白)以及木质素、富含羟脯氨酸蛋白(HRGP)2种细胞壁物质含量的影响.结果表明,经寡糖处理后,向日葵叶片中β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶的活性均升高,最高值分别比同期CK增加36.38%和6.35%;木质素及HRGP含量也诱导增加,最高值分别比同期CK显著增加39.15%和47.13%.在寡糖处理后接种病原菌的向日葵叶片中,β-1,3-葡聚糖酶及细胞壁物质被诱导合成,且合成量均较单独寡糖处理与单独接种锈菌处理要高.研究发现,诱导向日葵幼苗叶片的几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶活性增强和细胞壁木质素、HRGP含量增加,可能是寡糖预处理增强向日葵抗锈性的内在机制.     

酿酒酵母异源表达纤维二糖转运蛋白LacY与纤维二糖利用菌株的构建北大核心

【目的】在酿酒酵母体内设计代谢通路,使酿酒酵母能利用纤维素水解产物纤维二糖生产乙醇。【方法】首先,用大肠杆菌DH5α总DNA为模板克隆编码大肠杆菌乳糖透过酶的LacY基因。为过表达LacY基因,以质粒YEplac181作为载体,将酿酒酵母PGK1p强启动子加到LacY基因之前,CYC1t终止子加到LacY基因之后,构建质粒YEplac181-PGK1p-LacY-CYC1t。之后,将纤维二糖转运蛋白LacY表达质粒和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BGL)表达质粒pRS316-PGK1p-gh1-1-CYC1t依次转入野生型酿酒酵母W303-1A中,使野生型酿酒酵母W303-1A异源表达可转运纤维二糖的LacY蛋白和β-葡萄糖苷酶GH1-1,构建可利用纤维二糖的酿酒酵母工程菌W303-1A GL。最后,通过发酵测定酿酒酵母工程菌W303-1A GL的纤维二糖利用情况和乙醇产量,并对纤维二糖代谢通路中纤维二糖酶活力进行测定。【结果】本研究构建了纤维二糖转运蛋白LacY和β-葡萄糖苷酶GH1-1协同表达的酿酒酵母工程菌W303-1AGL。W303-1AGL可以有效利用纤维二糖发酵生产乙醇,W303-1A GL发酵24 h时乙醇产量达到3.25 g/L,得率为0.325 g乙醇/g纤维二糖,利用葡萄糖产乙醇理论得率为0.511 g乙醇/g纤维二糖,达到葡萄糖产乙醇理论得率的64%,细胞密度最高在第54 h达到OD600=10.84,胞内β-葡萄糖苷酶的酶活在72 h最高,可达到0.51 U/mg。【结论】本研究成功构建了能有效利用纤维二糖的重组酿酒酵母工程菌W303-1A GL,为提高纤维素乙醇生产效率、降低纤维素乙醇生产成本提供了新思路。     

影响棉纤维分化和发育的因素

概述了棉纤维细胞分化和发育的过程,对影响棉纤雏分化和发育的因素进行了探讨,并对今后棉纤维的研究发展趋势进行了展望．     

Phylogenetically Distinct Cellulose Synthase Genes Support Secondary Wall Thickening in Arabidopsis Shoot Trichomes and Cotton Fiber

Through exploring potential analogies between cotton seed trichomes (or cotton fiber) and arabidopsis shoot trichomes we discovered that CesAs from either the primary or secondary wall phylogenetic clades can support secondary wall thickening. CesA genes that typically support primary wall synthesis, AtCesA1,2,3,5, and 6, underpin expansion and secondary wall thickening of arabidopsis shoot trichomes. In contrast, apparent orthologs of CesA genes that support secondary wall synthesis in arabidopsis xylem, AtCesA4,7, and 8, are up-regulated for cotton fiber secondary wall deposition. These conclusions arose from: (a) analyzing the expression of CesA genes in arabidopsis shoot trichomes; (b) observing birefringent secondary walls in arabidopsis shoot trichomes with mutations in AtCesA4, 7, or 8; (c) assaying up-regulated genes during different stages of cotton fiber development; and (d) comparing genes that were co-expressed with primary or secondary wall CesAs in arabidopsis with genes up-regulated in arabidopsis trichomes, arabidopsis secondary xylem, or cotton fiber during primary or secondary wall deposition. Cumulatively, the data show that: (a) the xylem of arabidopsis provides the best model for secondary wall cellulose synthesis in cotton fiber; and (b) CesA genes within a "cell wall toolbox" are used in diverse ways for the construction of particular specialized cell walls.     

Phylogenetically Distinct Cellulose Synthase Genes Support Secondary Wall Thickening in Arabidopsis Shoot Trichomes and Cotton Fiber

Through exploring potential analogies between cotton seed trichomes (or cotton fiber) and arabidopsis shoot trichomes we discovered that CesAs from either the primary or secondary wall phylogenetic clades can support secondary wall thickening. CesA genes that typically support primary wall synthesis, AtCesA1,2,3,5, and 6, underpin expansion and secondary wall thickening of arabidopsis shoot trichomes. In contrast, apparent orthologs of CesA genes that support secondary wall synthesis in arabidopsis xylem, A...     

棉花纤维发育过程中内源激素含量和纤维品质变化及其关系研究

以新疆棉区优质棉品种‘新陆早16号’、品质中等品种‘新陆早10号’和‘新陆早13号’以及品质较差品种‘02-DB’为材料,测定了棉纤维发育过程中内源生长素(IAA)、赤霉素(GA4)、玉米素(ZR)和脱落酸(ABA)含量和主要纤维品质指标的变化,分析内源激素含量变化与纤维品质形成的关系。结果表明:不同品种棉花纤维发育中纤维内源激素变化趋势基本相似,其差异主要表现在IAA、GA4、ZR和ABA的含量大小及峰值出现的时间方面。‘新陆早16号’在纤维发育前期有较高IAA、GA4、ZR含量和较低的ABA含量,表现出纤维伸长速率较高、快速伸长时期较长等特征;而且在次生壁加厚期ZR峰值出现较早,有利于棉纤维成熟,从而表现出较优的纤维品质。‘02-DB’在纤维发育前期由于ABA含量较高影响了纤维伸长速率和快速伸长期的时间,同时后期ZR峰值出现晚,使纤维发育受到影响,而最终品质较差。可见,在棉花纤维伸长期IAA、GA4、ZR含量高而ABA含量低、次生壁加厚期ZR峰值出现早则有利于优质棉纤维形成。     

棉纤维发育的分子生理机制

本文综述了棉纤维分化、发育的分子生理机制的研究现状,着重讨论了棉纤维细胞膨压的产生、细胞壁的松弛、结构分子的合成和加入、次生壁增厚的启始信号、纤维素的生物合成和细胞骨架系统控制纤维素沉积等机制。进而对本领域的研究前景提出了看法。     

棉纤维发育的分子生理机制

本文综述了棉纤维分化、发育的分子生理机制的研究现状，着重讨论了棉纤维细胞膨压的产生、细胞壁的松弛、结构分子的合成和加入、次生壁增厚的启始信号、纤维素的生物合成和细胞骨架系统控制纤维素沉积等机制。进而对本领域的研究前景提出了看法。     

分子标记辅助聚合两个棉纤维高强主效QTLs的选择效果

利用长江流域推广品种泗棉3号和优异纤维种质系7235为育种亲本,配置了系统育种和修饰回交聚合育种两套群体。基于来自7235的2个高强纤维主效QTL的分子标记,在上述育种群体中进行了分子标记辅助选择效率研究。高强纤维主效QTLfs1是利用(7235×TM1)F2分离群体,通过集团混合分离法检测到的,它可解释纤维强度表型变异的30%以上。高强纤维主效QTLfs2最初是利用(HS42710×TM1)F2分离群体检测到的,它可解释纤维强度表型变异的12.5%以上。进一步的研究表明,该QTL也位于7235优质系中,但与QTLfs1非等位。2套育种分离群体的2个高强纤维主效QTL的分子标记辅助选择效果表明:QTLfs1在不同环境条件下均稳定表达,它对不同遗传背景的育种群体均有显著的选择效果。尽管QTLfs2的选择效果低于QTLfs1,它在高世代育种群体中也表现较高的选择效率。利用分子标记辅助选择具有一定遗传距离的QTLfs1区间,其纤维强度的选择效率将大大增强。通过分子标记对位于不同连锁群上的2个QTL聚合选择,其中选单株的纤维强度显著提高。研究结果为利用分子标记辅助聚合优质QTL提供了成功实例。     

Levels of Cytokinins in the Ovules of Cotton Mutants with Altered Fiber Development

Endogenous levels of cytokinin and abscisic acid (ABA) were determined in ovules of normal cotton (TM-1) and four fiber differentiation mutants (n2, Ligon lintless, H10, and Xu142) before and after flowering by enzyme-linked immunosorbent assays. The fluctuation patterns of ABA levels in ovules of normal cotton and mutants were similar. At the fiber elongation stage, ABA content was low, and from 1 day after flowering, the ABA content decreased steadily. On the other hand, the peaks of isopentenyladenine and isopentenyladenosine in ovules of TM-1 were observed 1 day before flowering. The level of cytokinins decreased after flowering in TM-1, whereas in the mutants it increased steadily. These results indicate that endogenous ABA is probably not the main inhibitor for fiber elongation and that endogenous cytokinins likely play a dual role in fiber development. Before flowering, cytokinins function as one of the stimuli for the initiation of fibers, but after flowering, cytokinins inhibit fiber growth. Received February 18, 1997; accepted June 11, 1997