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棉花是重要的经济作物,为纺织工业提供天然纤维原料。陆地棉（Gossypium hirsutum）和海岛棉（Gossypium barbadense）是目前栽培范围最广的两个棉种,陆地棉产量高但纤维品质中等,海岛棉纤维品质优异但产量低。挖掘分析棉纤维发育相关基因有利于明确优质棉纤维形成的分子机理,同时为分子育种提供候选基因,有利于实现高产和优质性状的有效聚合。基于RNA-seq的比较转录组学分析能够简单高效地鉴定棉纤维发育相关基因,目前相关研究主要集中在陆地棉中,在海岛棉中的进展相对缓慢,尤其是比较海岛棉和陆地棉纤维转录组挖掘并验证棉纤维品质改良候选基因,仍然具有巨大的发展潜力及应用价值。本研究以棉纤维品质极其优异的海岛棉品种Pima90-53和Hai7124为材料,采集开花当天的胚珠以及开花后5、10、15、20、25、30天的纤维构建测序文库进行RNA-seq,通过比较转录组学分析鉴定海岛棉纤维伸长和次生壁加厚优势表达基因,解析优质棉纤维形成的分子机理。以陆地棉“双30”品种HY405和ND13为参考,筛选海岛棉纤维伸长和次生壁加厚优势表达基因中的海陆差异表达基因,挖掘棉纤维品质改良候选基因,并通过转基因拟南芥和海陆回交BC3F5群体验证其功能。此外,对棉纤维品质改良候选基因DIR和GH9所在基因家族进行全基因组鉴定和生物信息学分析,解析其在棉纤维发育中的作用。主要研究结果如下:1.通过比较转录组学分析,在海岛棉中鉴定到759个与0DPA的胚珠相比在5、10、15 DPA的纤维中皆上调表达的差异基因,分析其在棉纤维发育中的表达模式,确定了 346个仅在伸长期上调表达的“海岛棉纤维伸长优势表达基因”,其功能主要富集在肌动蛋白细胞骨架构成、细胞形态建成、细胞壁修饰、脂肪酸生物合成、脂质转运、果胶分解代谢、苯丙烷生物合成、ROS响应、腺苷甲硫氨酸代谢、超长链脂肪酸代谢以及水分输送等。更进一步,在346个海岛棉纤维伸长优势表达基因中,鉴定到42个与陆地棉相比在海岛棉5、10、15 DPA的纤维中皆上调差异表达的基因,作为伸长相关棉纤维品质改良候选基因。42个基因中包括多个众所周知的棉纤维发育相关基因,具有重要的育种应用价值,本研究基于同源克隆方法从海岛棉品种Pima90-53的10 DPA纤维中克隆到其中的40个基因,在拟南芥中过表达生长素信号转导基因GbarA05G037170、短链脱氢酶基因GbarD09G016550以及两个“novel基因”GbarA05G020690和GbarD12G007360,导致转基因拟南芥叶片表皮毛或者暗生长的下胚轴细胞显著伸长,进一步表明其重要性。2.在海岛棉中鉴定到2275个与0 DPA的胚珠相比在20、25、30 DPA的纤维中皆上调表达的差异基因,并通过分析其表达模式筛选到647个仅在次生壁加厚期上调表达的“海岛棉纤维次生壁加厚优势表达基因”,其功能主要涉及细胞壁发育,参与纤维素、木聚糖、葡糖醛酸木聚糖、阿拉伯聚糖、果胶、木质素、糖蛋白等生物大分子以及阿拉伯糖、半乳糖、蔗糖等低分子糖的代谢。在647个海岛棉纤维次生壁加厚优势表达基因中,鉴定到48个与陆地棉相比在海岛棉20、25、30 DPA的纤维中皆上调差异表达的基因,作为次生壁加厚相关棉纤维品质改良候选基因。基于海岛棉和陆地棉参考基因组序列差异,成功开发其中39个基因的SNP分子标记,能够准确快速区分海岛棉和陆地棉直系同源基因,在此基础上使用39个分子标记对本课题组前期构建的海陆回交BC3F5群体（供体亲本:Pima90-53;受体亲本:CCRI8）进行基因分型,分析表型数据发现本研究所鉴定的次生壁加厚相关棉纤维品质改良候选基因对陆地棉的转移渐渗能够增强其棉纤维强度。3.在伸长相关棉纤维品质改良候选基因中发现一个dirigent（DIR）基因,其在棉纤维发育领域的相关研究鲜有报道,对其所在基因家族进行全基因组鉴定和生物信息学分析。鉴定到107个海岛棉DIR基因和107个陆地棉DIR基因,系统发育分析将其分为DIR-a、DIR-b/d、DIR-e和DIR-f四个亚家族,其中DIR-a和DIR-e在进化上很保守,而DIR-b/d亚家族因发生大量串联复制在棉花中快速扩张和进化。基于RNA-seq数据在海岛棉和陆地棉DIR家族中鉴定到多个棉纤维发育相关基因,并通过分析启动子顺式作用元件解析其差异表达机制。此外,在拟南芥中过表达GbDIR78增加叶片表皮毛和下胚轴细胞的长度,表明GbDIR78能够促进细胞伸长,推测其涉及调控类黄酮向木脂素的代谢流动,这为棉纤维品质改良提供了新的思路。4.在次生壁加厚相关棉纤维品质改良候选基因中发现一个endo-β-1,4-glucanase（GH9）基因,在细胞壁的生物合成和重塑中起着重要作用,对其所在基因家族进行全基因组鉴定和生物信息学分析。从海岛棉中鉴定到53个GH9基因,分为A、B、C三组,定位在22条染色体上,多倍化事件是海岛棉GH9基因家族扩张的主要驱动力,基因复制后经历严格的选择约束。A组4个成员在棉纤维发育整个时期尤其是次生壁加厚期高表达,C组6个成员在棉纤维起始和伸长期优势表达,B组具有相对复杂的表达模式,生长素和乙烯可能在GbGH9s的转录调控中发挥重要作用。通过回交将GbGH9B6导入陆地棉可提高棉纤维强度。综上,本研究在海岛棉纤维伸长期和次生壁加厚期各鉴定出一批优势表达基因,初步解析了优质棉纤维形成的分子机理;鉴定到42个伸长相关棉纤维品质改良候选基因,验证了 4个基因在细胞伸长中的作用;鉴定到48个次生壁加厚相关棉纤维品质改良候选基因,开发了 39个基因的SNP分子标记;明确了棉纤维品质改良候选基因DIR和GH9所在基因家族在棉纤维发育过程中的表达模式并解析其转录调控机制,验证了 GbDIR 78在细胞伸长中的作用。这些发现有助于加深对海岛棉和陆地棉纤维品质差异分子调控机制的理解,也有助于今后通过分子标记辅助选择实现棉纤维品质基因的有效聚合。