摘要
【目的】陆生植物地上大部分器官表皮覆盖着一层蜡质，这些蜡质是由各类脂类化合物形成的疏水屏障，是植物表面的重要结构。脂肪酰基辅酶A还原酶（FattyAcyl-CoAReductase,FAR）能够催化脂肪酸生成脂肪醇，是参与植物蜡质合成的一个关键酶，在植物的生长发育过程中起重要作用。目前，已在拟南芥和水稻中先后克隆获得FAR基因，然而棉花FAR基因的克隆及功能研究却少有报道。本研究从陆地棉（GossypiumhirsutumL.）基因组中分析鉴定获得GhFARs基因，并对GhFAR3.1基因和GhFAR2基因的功能进行分析，为进一步研究GhFARs在棉花花药发育和表皮蜡质合成中的分子调控机制奠定基础。 【方法】利用同源比对法从陆地棉基因组数据库中鉴定并获得GhFARs，并对FAR基因的染色体位置、基因序列和表达模式等进行分析。根据表达模式分析结果，筛选出在叶片和花药中优势表达的GhFARs。构建目标基因的VIGS载体侵染棉花，基因编辑载体遗传转化陆地棉受体材料“YZ-1”，过表达载体转化拟南芥突变体ms2，通过对转基因植株表型鉴定分析GhFARs基因的功能。 【结果】1.从陆地棉（GossypiumhirsutumL.）基因组中鉴定到10个GhFARs，分布于6条染色体上，分别命名为GhFAR2A、GhFAR2D、GhFAR3.1A、GhFAR3.1D、GhFAR3.2A、GhFAR3.2D、GhFAR3.3A、GhFAR3.3D、GhFAR3.4A、GhFAR3.4D。这10个GhFARs均具有植物FAR基因特有的NAD-binding-4和sterile保守结构域，分别属于B和C亚家族。表达模式分析发现，大多数GhFARs表现出组织特异性，其中GhFAR3.1在叶片优势表达，GhFAR2在棉花花药发育的减数分裂期和四分体时期表达量最高。 2.利用VIGS沉默GhFAR3.1后，在适水条件下（对照组），与WT植株和pTRV2::00植株相比，pTRV2::GhFAR3.1植株的叶片总蜡含量和相对含水量分别降低60%和13%以上，沉默GhFAR3.1对蜡质合成途径关键基因GhKAS、GhKCS和GhLACS的表达水平无影响，但降低了GhFAR3.1下游基因GhWSD的转录水平。在干旱处理条件下（干旱组），WT植株和pTRV2::00植株的叶片蜡质含量显著增加，而在pTRV2::GhFAR3.1植株中叶片蜡质含量增加不明显，且pTRV2::GhFAR3.1植株的叶片相对含水量降低，植株叶片发黄萎蔫。干旱胁迫造成蜡质合成相关基因的表达水平显著升高，但在pTRV2::GhFAR3.1植株中GhWSD基因的转录水平显著低于WT植株和pTRV2::00植株。 3.构建GhFAR2A基因编辑载体并转化棉花，获得两株GhFAR2A基因敲除的转基因植株。表型分析发现，基因敲除植株的成熟花药中无花粉，花药异常萎缩，用WT花粉给其柱头授粉，其能正常结铃。拟南芥ms2突变体功能互补实验发现，与拟南芥ms2突变体的花粉对醋解表现为异常敏感相比，过表达GhFAR2的拟南芥ms2突变体花粉对醋解仅表现出一定程度的敏感，表明GhFAR2作为拟南芥MS2的同源基因能够在一定程度上恢复拟南芥突变体ms2的表型。 【结论】在陆地棉中鉴定并获得10个GhFARs基因，不同的基因表达模式不同。在叶片中高表达的GhFAR3.1对棉花叶片中的蜡质合成至关重要，而蜡质含量对于植株保水性和耐旱性十分重要；在花药中优势表达的GhFAR2基因与植株育性相关，主要参与花粉外壁的发育。
NETL