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棉纤维是由胚珠表皮细胞经分化、发育而形成的单细胞纤维,其发育过程可分为起始、伸长、次生壁增厚和脱水成熟4个时期,每个时期各具特点,但相邻时期之间没有截然区分的界线,且有所重叠。其中,棉纤维细胞的伸长贯穿棉纤维发育的整个时期,并决定棉纤维的主要品质性状(长度、强度和细度)。其中棉花纤维长度是棉纤维最主要的品质性状,也是受纤维细胞突起伸长影响最大的性状。同时,作为单细胞的棉纤维,是研究细胞突起和伸长的模式材料。因此,棉纤维伸长机理的研究具有重要的意义。本论文以一对等基因系超短纤维Ligon棉突变体(Ligonlintless,Li)及其野生型ligon(li)为材料,从田间形态特征和农艺性状、生理生化、分子水平三个不同角度观察棉纤维伸长发育过程,研究棉纤维中碳水化合物含量对棉纤维伸长的影响,木葡聚糖转移酶基因对棉纤维伸长的作用,以及棉纤维伸长过程中玉米素调节木葡聚糖转移酶基因表达及其对纤维伸长的影响,从而研究木葡聚糖转移酶基因对棉纤维伸长的调控,了解棉纤维的伸长发育特征,进一步探讨纤维伸长发育的调控机制,为揭示纤维伸长发育的机理提供理论依据。本研究主要包括以下几个方面:1.超短纤维突变体的形态特征及其在纤维发育研究中的价值对超短纤维Ligon突变体及其野生型的田间形态特征和农艺性状进行了观察和测量,结果表明,与野生型相比,Ligon突变体的植株及纤维产生了多种形态特征的变化,这可能是由于陆地棉显性单基因突变引起的一因多效特征。此外,无论是产量性状还是品质性状,Ligon突变体都明显差于野生型。Ligon突变体叶片和茎部扭曲的特性,使其更容易被识别;正因为Ligon突变体超短纤维的发育特性,可将其作为研究野生型正常纤维发育的对照,使其在棉纤维的分化和伸长的研究中具有重要的价值。2.棉纤维碳水化合物含量对纤维伸长的影响以超短纤维Ligon突变体及其野生型的纤维为材料,研究了棉纤维发育不同时期的纤维长度、细胞含水量、碳水化合物(葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、纤维素、木葡聚糖)含量、木葡聚糖转移酶相对活性的变化。结果表明,突变体纤维仅在3～5DPA和12～19DPA期间有缓慢的伸长现象,且持续时间较短,而野生型的纤维有一个明显的快速伸长时期(5～19DPA),且持续时间较长。并且,野生型纤维的脱水时期也比突变体纤维要延后(野生型的脱水时期为25DPA,突变体纤维的脱水时期为18DPA)。这种现象可能是与之相对应的纤维中蔗糖、淀粉、木葡聚糖含量提高,以及作为糖代谢底物的葡萄糖、果糖含量降低的结果;也可能是纤维伸长停滞,降低对糖的需求而引起大量的淀粉和木葡聚糖积累的结果。另一方面,突变体纤维在12～19DPA出现再次缓慢伸长的现象,可能与Ligon突变体纤维中木葡聚糖转移酶(XETs)活性在此段发育期间的波动提高导致纤维中木葡聚糖的波动降解等现象有关。棉纤维的伸长需要构成细胞壁的各种碳水化合物,但这些碳水化合物要在适量的条件下才能有效的促进纤维伸长。纤维中的XETs活性高,有利于打破组成细胞骨架的纤维素-木葡聚糖网络,降解木葡聚糖,增加纤维细胞壁伸长的可塑性。同时,纤维中的二糖(如蔗糖)和多糖(淀粉、纤维素、木葡聚糖)在各种酶的作用下降解为单糖(葡萄糖和果糖),此时,纤维中的单糖含量增加,膨压增大,推动纤维伸长;另一方面,单糖可能通过加强纤维中的生物合成和能量代谢来为纤维伸长提供条件,最终促进纤维伸长。3.棉纤维中XETs的表达对纤维伸长的影响以超短纤维Ligon突变体及其野生型不同发育时期的纤维为材料,测定突变体和野生型棉纤维在田间条件下纤维伸长的动态变化以及纤维伸长过程中木葡聚糖含量、木葡聚糖转移酶活性的变化和木葡聚糖转移酶基因的表达特征(Northern杂交和实时荧光定量PCR)。结果显示,野生型纤维中木葡聚糖转移酶基因的表达时期要早于突变体,与此对应的纤维中木葡聚糖转移酶的相对活性也明显高于突变体纤维,表明,棉纤维的伸长受到木葡聚糖转移酶基因的上调。纤维中木葡聚糖转移酶基因的表达量高,则纤维中相应的木葡聚糖转移酶相对活性高,有利于纤维中木葡聚糖的降解,促进细胞壁疏松,从而促进纤维伸长。4.玉米素调节XETs的表达及其对纤维伸长的影响以超短纤维Ligon突变体及其野生型开花后一天的胚珠为材料,利用胚珠离体培养技术,在含有不同浓度ZT的BT培养基中培养,测定不同发育时期纤维伸长规律、碳水化合物(葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、木葡聚糖)含量、木葡聚糖转移酶相对活性,以及木葡聚糖转移酶基因的表达特征。结果表明,离体培养条件下,ZT对伸长初期(3～9DPA)的纤维长度影响显著,但对9DPA以后的纤维长度影响不大。其中,在伸长初期,当ZT浓度为10μM时,对突变体离体纤维伸长的促进作用最大;当ZT浓度为5μM时,对野生型离体纤维伸长最为适宜。而纤维发育初期的伸长率对纤维终长度影响较大。因此,适量的ZT可能是棉纤维伸长发育的一个重要因素。尤其,结果显示,ZT可以调控纤维中XETs的表达,即,ZT对伸长初期纤维中XETs的表达起上调的作用。由此可见,ZT可能通过增加纤维中XETs的表达量,提高纤维中木葡聚糖转移酶的相对活性,降低纤维中木葡聚糖的含量,并在其它相关酶的协助下降低蔗糖和淀粉的含量,增加单糖的含量,促进糖代谢,从而为纤维伸长提供能量和条件。