plantcell中文稿转录组微阵列显示乙烯在棉花纤维细胞伸长过程中具有主导作用.doc

转录组微阵列、分子生物学以及生理学方法揭示了植物激素乙烯在棉花纤维细胞伸长过程中具有主导作用 施永辉a 朱生伟a,b 毛希增a 冯建勋a 秦咏梅a 张亮c 程京c 魏丽萍a 王志勇b,d 朱玉贤a,e,1 a蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室及北京大学生命科学学院 b中科院植物研究所发育生物学中心 c北京博奥生物芯片有限公司 d美国加利福尼亚州斯坦福大学卡内基研究所植物生物学系 e国家植物基因研究中心（北京） 1通讯作者。电子邮件：zhuyx@，传真：86-10-6275-4427 摘要 陆地棉产生了世界上运用最广泛的自然纤维，但科学界仍然没有很好地揭示控制纤维细胞伸长的真正机制。通过对棉花纤维cDNA文库进行测序以及后续的微阵列分析，我们发现，乙烯合成是纤维伸长过程中最显著上调的生物代谢途径之一，介导乙烯合成的类甲硫胺酸氨基环丙烷羧酸 前言 棉花是纺织工业中的纤维原材料的主要来源。棉花纤维，也就是通常说的表皮毛，是从胚珠表皮细胞分化而来的单细胞结构。陆地棉（Upland cotton, 拉丁名Gossypium hirsutum）的成熟纤维通常能长到30-40毫米长，大约15微米的厚度，占世界棉花产量的90%以上（Basra and Malik, 1984; Tiwari and Wilkins, 1995），还有5-8%有另一个四倍体棉花，海岛棉生产得到（Gossypium barbadense）。 棉花产量主要由两个生物过程决定：纤维细胞的起始，和纤维细胞的伸长。纤维的起始决定了在每个棉花胚珠上纤维的数量，纤维细胞的伸长则决定了每根纤维的最终长度和强度。在最活跃的伸长期（开花后5-20天时，即5-20 DPA），陆地棉纤维细胞以最大为2毫米/天的速度快速生长（John and Keller, 1996; Ji et al 2002）。作为世界上最长的植物细胞之一，棉花纤维细胞被公认为是研究细胞伸长和细胞壁生成的标准系统（Kim and Triplett, 2001）。 细胞伸长和扩展对于高等植物的的生长和形态的建成具有重要意义，当细胞退出分生组织状态而进行分化时，一般都必须经过伸长和扩展的过程。细胞伸长的程度取决于细胞的类型，并通常受到环境因素和内源激素的调控。长时间以来，生长素（IAA），赤霉素（GA），油菜素（BR）被是参与细胞伸长的重要激素（Phinney, 1984; Evans, 1985; Crozier et al., 2000; Wang and He, 2004）。在体外用GA和BR处理棉花胚珠，能促进纤维的伸长，而用BRZ（一种抑制BR体内合成的化合物）处理棉花胚珠则会导致纤维的起始被抑制。Sun et al. (2005)推断BR在纤维起始和伸长都是必需的。不过，这些激素调控棉花纤维伸长的内在机制仍然是未知的。一些科学家试图改变IAA和细胞分裂素合成有关的基因在纤维中的表达，不过并没有观察到明显的表型变化（John, 1999）。而乙烯，是一种在植物果实成熟、休眠解除、花器官衰老和脱落过程中已被广泛研究的激素（Bleecker and Kende, 2000; Crozier et al., 2000）。最近的文献报道表明，乙烯也有可能是植物根毛和下胚轴发育的正调节因子（Raz and Ecker, 1999; Cho and Cosgrove, 2002; Achard et al., 2003; Seifert et al., 2004; Grauwe et al., 2005）。乙烯反应缺失的植物突变体，具有很明显的较短的根毛，而外缘施加的乙烯的前体物质ACC（甲硫胺酸氨基环丙烷羧酸结果 1.从开花后5-10天的棉花纤维cDNA文库中获得12,233个独立EST 我们采用开花后5-10天的野生型四倍体陆地棉的胚珠（包括纤维）作为起始材料构建高质量的cDNA文库（Lu, 2002）。体外剪切之后，采用随机挑取克隆的方法，进行了15×2400个菌落的测序，获得29,992个EST序列；将这些序列拼接之后获得了12,233个独立EST序列，包括4,648个重叠序列（Cluster）和7,585个单条序列（Singleton）。对12,233个独立序列进行手工分析，排除同个基因的可变剪接形式之后，获得了11,719条独立EST，用于随后的PCR扩增和建立DNA微阵列。 2.鉴定了778个在棉花纤维发育过程中高表达的cDNA 绝大多数的独立EST都用PCR方法成功扩增（11,719中成功了11,692），并点在氨基硅烷板上，制备用来鉴定纤维特异基因的棉花cDNA微阵列。首先，我们提取了开花当天（0