摘要
棉花是重要的经济作物，也是天然纤维的主要来源。但是，棉花常常受到非生物胁迫(例如干旱、盐和寒冷胁迫)的影响，从而影响了棉花的产量和质量。近年来全球气候变化加剧了非生物胁迫因素的流行和程度。盐和干旱给植物造成渗透胁迫，进而对棉花产量产生负面影响。在长期的进化过程中，植物对非生物胁迫产生了适应性应答反应，涉及到植物的生理和代谢途径、转录调控、表观遗传调控，以及在植物发育过程中多基因的表达和相互作用。本研究对LEA3，ACX3和RPL14B等植物逆境应答基因进行了功能表型鉴定，并对其应激反应相关的分子机制进行了初步探讨，主要结果如下: LEA3蛋白在植物生长、发育和非生物胁迫响应中起着重要的作用。我们对第LEA3基因进行了全基因组鉴定，在陆地棉、海岛棉、毛棉、黄褐棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉基因组中分别鉴定到13，14，17，16，7和8个LEA3基因，聚类为六个组。表达谱分析显示，陆地棉的LEA3基因在干旱和盐胁迫下表达量更高，特别是在叶和根中对干旱和盐分胁迫表现出更明显的应答反应。通过构建过表达载体和沉默载体分别转化拟南芥和棉花，选择高表达基因Gh_A08G0694和Gh_A10G1465进行功能验证。结果发现沉默GhLEA3(Gh_A08G0694和Gh_A10G1465)增加了棉花植物对盐和干旱胁迫的敏感性，并导致ABA和胁迫相关基因的下调表达。GhLEA3的过表达增强了转基因拟南芥植株的盐、旱胁迫耐受性，且胁迫相关基因上调表达。生化分析表明，沉默GhLEA3后植株受到了氧化胁迫，而过表达的植株则没有。亚细胞定位预测该类基因定位于细胞核、叶绿体、线粒体和细胞质中。酵母双杂交结果表明，这两个基因与GhLEA3蛋白同源，且后者与线粒体外膜蛋白孔蛋白、电压依赖性阴离子通道(VDAC1)和甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPA)互作。本研究表明GhLEA3基因通过与GhVDAC1，GhGAPA和其他调控网络的相互作用来调控干旱和盐分胁迫耐受性，并通过调节应激相关基因的转录而参与信号传导途径。 ACX3基因作为脂肪酸参与β-氧化途径的激活剂，在植物生长发育和逆境响应中起着至关重要的作用。ACX3过氧化物酶体通过β-氧化途径导致下游事件级联，应答生化和生理反应的转导。我们在陆地棉、海岛棉、毛棉、黄褐棉以及达尔文氏棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉基因组中分别鉴定到20、18、22、23、20、11和9个ACX3蛋白。陆地棉基因表达谱分析表明，逆境胁迫条件下该基因家族在根和叶中被大量诱导。选择Gh_D01G0186基因通过过表达和VIGS来进行功能初步分析，发现Gh_D01G0186过表达的植物对胁迫的耐受性增强。胁迫条件下的转基因拟南芥种子比对照的生长速度更快，存活率也更高。相反，棉花Gh_D01G0186基因的沉默导致胁迫敏感性增加且根系伸长的减少。因此，与ACX3同源的基因增强了棉花植物的胁迫耐受性，并调节其他胁迫响应基因的表达。 RPL基因广泛参与植物非生物胁迫应答，然而其响应机制一直没有被揭示。本研究中，我们在陆地棉(AD1)，亚洲棉(A2)和雷蒙德氏棉(D5)三个不同棉种中分别鉴定出26，9，9个RPL14B基因并在盐/干旱胁迫条件下分析了陆地棉中RPL14B基因的差异表达。从中挑选了Gh_D01G0234基因进行VIGS分析进行功能验证。沉默Gh_D01G0234对干旱/盐胁迫下棉花幼苗的生长性能有显著影响。基因沉默的棉花和对照植株在形态和生理特性上差异显著，同时VIGS植物中的抗氧化酶水平显着降低，而氧化酶水平显着更高。 本研究通过过表达和VIGS技术，对LEA3，ACX3和RPL14B进行功能鉴定，揭示了这些基因在增强棉花盐胁迫和干旱胁迫方面的潜力。对这些基因通过基因工程育种，遗传转化到棉花中，对改良棉花对极端气候的适应能力具有重要的生产意义。
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