[发明专利]棉花GhMATE1基因及其在改良棉花棕色纤维色泽中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种改良棉花纤维色泽基因技术，尤其涉及一种棉花基因及其构建的植物表达双元载体并在改良棉花棕色纤维色泽中的应用。

背景技术

天然彩色棉是一种棉纤维具有自然色彩的特殊类型棉花，因其具有独特的自然色彩，在纺织及加工过程中无需漂染，对人类和环境无污染、穿着舒适，特别适合制作贴身衣物，是真正的“生态”、“环保”棉，从而引起国内外棉花育种家和纺织、服装工业界的广泛关注，被誉为21世纪国际市场最具潜力的生态纺织品。中国彩色棉的研究与开发虽起步较迟，但发展很快。从1998年到2010年，中国天然彩色棉种植面积从每年1万亩扩大到每年20多万亩，皮棉产量从每年800吨增加到每年2万多吨，10年间，彩棉种植面积和皮棉产量分别增长了20倍和25倍。

彩色棉主要有棕色和绿色两大系列色彩，在彩色棉新品种选育方面，借助于常规育种技术，世界各国和我国一些育种单位纷纷开展研究并选育出一批彩色棉新品种，在一定程度上改善了彩色棉的品质和性状。国内各研究单位选育出的彩色棉品种有：新彩棉系列品种（1号至20号）、中棉所51、浙彩棉2号、苏彩杂1号等品种。在这些选育的品种中，主要是棕色棉系列品种在纺织、服装工业上得到了一定程度的应用。与白棉花相比，彩色棉品种依然存在着以下突出问题：纤维比强度不高，纤维长度偏短、衣分偏低，色素稳定性差，色彩单一，从而限制了棕色棉在纺织工业中的应用。因此，创新彩色棉的纤维色泽并提高棕色棉的纤维强度、纤维长度是关系到我国纺织工业和彩色棉产业发展兴衰成败的两个关键因素，也是广大棉花育种科研工作者面临的一个重要课题。

在自然界中，植物色素可分为光合色素（如叶绿素）和非光合色素（如类黄酮和类胡萝卜素)。研究表明，天然彩色棉纤维色素属于非光合色素，并且与棉纤维发育的特定时期有关。国内外学者通过对棕色棉纤维色素形成过程及生化特征本质的研究，初步认为存在以下2种推测：（1）Ryser、Xiao和詹等推测认为天然棕色棉纤维色素最初来源是位于液泡里的儿茶素衍化形成的原花色素（Proanthocyanidins），也称为缩合单宁（Condensed Tannins），并由缩合单宁接触空气氧化而形成具有棕色的醌类化合物；（2）赵等认为棕色棉纤维色素属于类黄酮化合物。而且，Xiao和詹的实验都证实棕色棉纤维色素的前体物质属于原花色素（缩合单宁）。詹等对棕色棉、白棉纤维和种皮中分布的色素含量进行了分析，研究认为：决定纤维颜色的主要原因是色素在纤维和种皮之间的分配比例。棉纤维是由种皮细胞分化而来，棉纤维的形成过程与种皮细胞的发育关系密切。拟南芥、棉花同属于双子叶植物，了解拟南芥种皮色素的合成代谢及调控途径对于揭示棉花种皮棕色素、棉纤维棕色素发育、纤维与色素的共沉积分子机理具有重要理论意义。

拟南芥种皮色素的合成代谢途径受到多种基因的调控，属于植物次生代谢。通过对拟南芥种皮Transparent testa系列突变体的研究表明：苯丙氨酸（Phenylpropanoid）是形成缩合单宁的最初氨基酸，它在一系列酶的催化作用下，最终形成无色的缩合单宁，再经空气氧化而呈现出种皮的棕色特征。其中，TT4编码查尔酮合酶（CHS，chalcone synthase），TT5编码查尔酮异构酶(CHI，chalcone isomerase)等作为结构基因编码类黄酮代谢途径中的酶，TT1，TT2，TTG1，TTG2，TT8等作为转录因子对结构基因的转录进行调控，TT12和TT19则编码色素转运蛋白参与类黄酮物质的转运与积累。在棕色棉纤维色素发育的相关研究中，国内外学者采用不同的分子生物学手段，从棉花中克隆了多个与拟南芥种皮色素合成代谢途径相关的同源基因，如GhCHS,GhCHI,GhF3H,GhDFR,GhANS,GhANR等，这些基因参与色素合成的蛋白质功能推测均基于同源序列分析及生物信息学的功能推测，究竟是否同时参与棉花种皮色素、纤维的色素合成代谢有待进一步证实。针对棉花棕色素研究中存在的上述重要理论课题，迫切需要以拟南芥种皮棕色素合成途径相关基因为参照，在棉花中克隆相关同源基因，并通过分子生物学和转基因技术加以功能验证，以明确这些相关基因是否同时参与棉花纤维棕色素的合成。上述问题的研究证实，将为我们进一步开展棕色棉纤维色素合成代谢途径的研究提供理论支持，并通过分子生物学手段改良棕色棉纤维品质、突破棉纤维色泽多样性研究具有重要的理论和实践意义。