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棉花(Gossypium spp.)是世界性的重要经济作物,是关系国计民生的重要战略物资,为纺织业提供了50%以上的纤维来源。由于产量和纤维品质等方面的原因,目前棉花生产种植的品种几乎都是无色素的白色棉。色彩斑斓的服饰品满足了人们的需求,但棉纺织品在化学印染过程中用到的化学助剂和染料却会对人体造成伤害,排放的大量污水也会造成环境污染。所幸的是具有天然色彩的彩色棉纤维,无需染色就可以直接纺纱成布,因其绿色、生态、环保特性深得人们的青睐。彩色棉纤维的色泽主要是由不同种花青素及其衍生物在纤维腔中累积而呈现出来的。花青素是广泛存在于自然界中的一种植物水溶性色素,属于多酚化合物中的类黄酮化合物,是一类重要的次生代谢产物。现阶段可用于纺织业的彩色棉品种资源全部属于棕色和绿色系列,颜色类型单调,严重限制了彩棉产业的发展。因此研究类黄酮合成核心通路对于彩色棉的纤维色泽形成机理、纤维色泽改良和丰富种质资源具有重要意义。本课题对类黄酮合成核心通路上的关键酶基因:分别编码黄烷酮3-羟化酶(Flavanone3-hydroxylase,F3H)、类黄酮3’-羟化酶(Flavonoid 3’-hydroxylase,F3’H)、类黄酮3’,5’-羟化酶(Flavonoid 3’,5’-hydroxylase,F3’5’H)和二氢黄酮醇4-还原酶(Dihydroflavonol 4-reductase,DFR)的基因家族进行生物信息学分析,进一步比较了在四种不同陆地棉C312、HS2、XC20和ZX1纤维中的表达模式。通过VIGS(Virus-induced gene silence)干涉棕絮棉XC20和ZX1的F3H、F3’H、F3’5’H和DFR基因,对干涉植株表型、纤维色泽和相关基因表达量进行分析,进而通过农杆菌介导的基因遗传转化技术获得陆地棉转基因再生株系。得到的研究结果如下:(1)陆地棉中F3H和DFR基因家族均有四个同源序列,F3’H和F3’5’H基因家族分别包含两个同源序列,同一基因家族中不同成员之间的序列高度相似,模体和结构域的保守性很高。筛选得到的F3H4、F3’H2、F3’5’H2和DFR1均是亲水性蛋白,F3’H2和F3’5’H2有跨膜区域,但F3’H2蛋白不稳定,存在信号锚定,其他蛋白比较稳定,均为非分泌蛋白。F3H4主要分布在胞质中,另三种蛋白质主要分布在细胞核和线粒体中。二级结构都以α-螺旋和无规卷曲为主。(2)在四个不同的陆地棉品种(系)中,F3H、F3’H、F3’5’H和DFR基因在彩色棉纤维中的表达水平更高,并且在不同棉花品种(系)中的表达存在时空差异性。(3)F3H基因处于花青素合成通路的上游,主要在纤维发育早期表达,DFR基因在矢车菊色素、天竺葵色素和飞燕草色素合成的三条支路下游都有表达,且F3H和DFR基因家族中的同源序列和多时空表达等因素导致二者的表达量更高,对花青素的累积起着重要的作用。(4)F3’H和F3’5’H基因分别在矢车菊色素和飞燕草色素合成的支路中表达,与F3H和DFR基因相比表达水平相对较低,且二者的总表达量显著低于上游主路中F3H基因的表达量,可能对矢车菊色素和飞燕草色素特定花青素单体合成起重要作用。(5)在彩色棉XC20和ZX1中,VIGS干涉目的基因后的植株,纤维色泽受沉默效率和基因表达模式等因素的影响呈现出不同程度的变化。(6)Gh F3H、Gh F3’H、Gh F3’5’H和Gh DFR基因对纤维的呈色起着重要的作用,其中F3H基因对花青素的累积和纤维的呈色影响最大;F3’H基因在不同品种(系)中出现了功能的分化;与F3’H基因相比,F3’5’H基因表达量更高,表达时间更长,干涉后纤维的色泽更浅;DFR基因在纤维发育后期的表达量对纤维的色泽影响较大。(7)通过农杆菌介导的基因遗传转化和植株再生技术,培育出过量表达F3’5’H基因和干涉F3’H基因的再生植株,基因表达量分析表明在Gh F3’5’H过量表达的转基因植株中,F3’5’H基因的表达量显著高于野生型(Wild type,WT)S1。本课题通过对类黄酮合成核心通路中F3H、F3’H、F3’5’H和DFR四个关键基因进行初步的功能研究,发现与陆地棉中花青素含量、种类和纤维呈色有密切的关系,在此基础上已经得到了过量表达F3’5’H基因和沉默F3’H基因的转基因再生植株,可以更深入地研究与彩色棉纤维中花青素的合成与色泽变化,为进一步探究花青素合成调控网络中转录因子功能、不同彩色棉之间表达模式和色素形成过程的差异等问题奠定基础,为彩色棉纤维的色泽改良提供更深入的理论基础。