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棉花FLA基因家族的全基因组鉴定及Gh FLA05在棉纤维发育中的功能分析

文献类型: 中文期刊

作者: 唐丽媛 1 ; 蔡肖 1 ; 王海涛 1 ; 李兴河 1 ; 张素君 1 ; 刘存敬 1 ; 张建宏 1 ;

作者机构: 1.河北省农林科学院棉花研究所/农业农村部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室/国家棉花改良中心河北分中心

关键词: 棉花;FLA;纤维发育;基因家族;表达分析

期刊名称: 中国农业科学

ISSN: 0578-1752

年卷期: 2023 年 023 期

页码: 4602-4628

收录情况: 北大核心 ; CSCD

摘要: 【背景】伴随着棉纺织工艺水平的提升和人们对高品质纺织品的追求,提升棉花纤维品质日益重要。类成束阿拉伯半乳糖蛋白(fasciclin-like arabinogalactan proteins,FLAs)在棉纤维起始发育、次生壁合成等过程中可能具有重要作用。【目的】通过对棉花FLA基因家族进行全面鉴定与分析,研究该家族成员的共性特征及特异性表达模式,为FLA在棉纤维发育中的功能研究提供参考。【方法】根据棉花全基因组数据,使用HMMER 3.0对棉花FLA基因家族成员进行鉴定,并通过Pfam、Smart等软件进一步确认。使用ExPASy、TMHMM分析蛋白理化性质及跨膜结构域,应用MEGA、MCScanX、GSDS、MEME、TBtools、Jalview等工具进行进化树构建、染色体定位、共线性分析和蛋白保守结构域序列比对等。通过转录组数据分析陆地棉FLA基因在不同组织中的表达情况。利用实时荧光定量聚合酶链式反应(quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)检测GhFLAs在不同纤维品质材料的胚珠及不同发育时期纤维中的表达差异。利用病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing,VIGS)技术验证GhFLA05的功能。【结果】在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组中分别鉴定出41、40、20和21个FLA家族成员,系统进化树显示,棉花FLA蛋白可以分为4个群组。进一步对陆地棉FLA家族蛋白进行分析,41个成员均具有1—2个AGP-like糖基化区域和1—2个类成束蛋白结构域(fasciclin-like domain,FAS),其中,37个含有信号肽(signal peptide,SP),25个含有糖基化磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidy linositol anchored protein,GPI)锚定信号,基因结构和基序组成在各组中相对保守。亚细胞定位显示,GhFLA05_D可能定位在细胞质的内质网,呈聚集状颗粒,GhFLA18_A和GhFLA22在细胞膜/壁、细胞质和细胞核中均有表达。转录组测序结果表明,Group A和Group B中的FLA蛋白主要在纤维中高表达,可能参与了棉纤维发育伸长和次生壁加厚等过程。在纤维品质差异显著的2个材料中,Group A和Group B成员具有相似的表达模式,并主要在纤维次生壁发育阶段、尤其是20—25 DPA时期优势表达;其中,GhFLA05在次生壁增厚期表现出特异性表达,两材料间存在显著差异,在高比强的RIL229的次生壁阶段更早达到最大值,推测GhFLA05可能在调控纤维比强度差异形成中发挥作用。利用VIGS技术沉默GhFLA05后,使棉纤维断裂比强度降低。【结论】在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉中鉴定出122个FLA家族成员,可分为4个群组,不同群组成员间具有较高的结构和功能相似性,并从中鉴定了Group A和Group B成员,可能是主要与棉纤维发育相关的基因。明确家族中GhFLA05是次生壁合成阶段优势表达基因,并与陆地棉不同材料纤维比强度差异形成密切相关。

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