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苯丙烷代谢及其中间产物阿魏酸对棉纤维发育影响的研究

吕萌  
【摘要】: 棉花是我国的主要经济作物之一,棉纤维是日用纺织品的主要原料,在国民经济和人民生活中占有重要地位。研究棉纤维生长发育的调控机制,有助于阐明植物细胞伸长生长和细胞壁发生发育的机理,为棉纤维品质的改良提供理论依据。植物细胞壁内的苯丙烷类化合物包括通过氧化连接形成木质素的单体木质素和交联于细胞壁上的低分子的羟基肉桂酸,可影响细胞壁的生长、强度和形态建成。最新研究表明苯丙烷代谢途径及其产物存在于发育的棉纤维中,是棉花纤维发育中仅次于纤维素代谢的第二大代谢途径,可能对棉纤维的发育产生重要影响。 试验首先利用RT-PCR技术研究了苯丙烷代谢途径关键酶基因在棉花不同组织和不同发育时期纤维中的相对表达情况,发现这些基因的表达具有明显的组织特异性和纤维发育时期特异性。C4H、COMT和CCoAOMT基因根、茎中都有较高的表达水平,而随着纤维次生壁的加厚开始,包括PAL、4CL、C4H、COMT、CCoAOMT、CCR、CAD的大部分苯丙烷代谢途径基因呈现出逐渐升高的表达趋势,说明苯丙烷类化合物代谢在根、茎等微管组织以及次生壁加厚初期的棉纤维细胞中比较活跃。为了验证该途径相关基因的功能,试验构建了CAD6基因的瞬时表达载体,并在培养纤维中研究了其随纤维发育的表达情况,在15 d和20 d检测到GUS活性,与纤维中CAD6基因的在这段时期内的高表达量一致。 为了更好的探索苯丙烷类化合物对棉纤维发育的影响,本研究利用苯丙烷代谢中间产物阿魏酸(FA)分别进行了饲喂受精胚珠和未受精胚珠离体培养纤维的试验,结合图像数字化处理技术,对不同时期培养纤维的生长状态进行了对比分析,结果发现较高浓度的FA(100μmol/L)一定程度上抑制了培养纤维的正常生长,而低浓度的FA(25μmol/L和50μmol/L)未对培养纤维的发育产生抑制影响,反而对纤维伸长有一定的促进作用,说明FA浓度对培养纤维的伸长生长具有促进和抑制的双重性,且拐点范围可能在50μmol/L-100μmol/L之间。在此基础上,利用透射电镜观察了培养25 d的棉纤维细胞横截面,结果显示外源FA对棉纤维细胞壁的增厚有显著的影响,在FA浓度为50μmol/L时,这种增厚十分明显(P0.01),未受精胚珠的纤维细胞壁比对照增厚了62%,受精胚珠纤维细胞壁比对照增厚了35%。为了进一步解释外源FA对培养纤维造成影响的原因,试验最后利用乙酰溴法对受精胚珠培养25 d的棉纤维进行生化分析,发现离体培养的纤维细胞中苯丙烷类化合物的含量比植株纤维高出近40%,而经50μmol/L FA饲喂的培养纤维中这一含量比对照增加了5.2%。 本研究从苯丙烷类化合物与棉纤维发育之间的关系入手,探索了苯丙烷代谢途径关键酶基因在棉纤维中的表达趋势,发现苯丙烷代谢途径大多数基因与棉花纤维次生壁发育或与根和茎维管束元件的次生壁发育同步。继而利用胚珠离体培养体系,从生长形态,细胞壁厚度以及化学分析等多角度进行探索,证实外源FA对棉纤维的生长发育有重要的影响,为进一步了解苯丙烷类化合物在棉纤维发育过程中的作用机制奠定了基础。


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