棉花FLA基因家族的全基因组鉴定及Gh FLA05在棉纤维发育中的功能分析

作者：唐丽媛; 蔡肖; 王海涛; 李兴河; 张素君; 刘存敬; 张建宏^*

来源：中国农业科学, 2023, 56(23): 4602-4628.

• 棉花
• FLA
• 纤维发育
• 基因家族
• 表达分析

【背景】伴随着棉纺织工艺水平的提升和人们对高品质纺织品的追求，提升棉花纤维品质日益重要。类成束阿拉伯半乳糖蛋白（fasciclin-like arabinogalactan proteins,FLAs）在棉纤维起始发育、次生壁合成等过程中可能具有重要作用。【目的】通过对棉花FLA基因家族进行全面鉴定与分析，研究该家族成员的共性特征及特异性表达模式，为FLA在棉纤维发育中的功能研究提供参考。【方法】根据棉花全基因组数据，使用HMMER 3.0对棉花FLA基因家族成员进行鉴定，并通过Pfam、Smart等软件进一步确认。使用ExPASy、TMHMM分析蛋白理化性质及跨膜结构域，应用MEGA、MCScanX、GSDS、MEME、TBtools、Jalview等工具进行进化树构建、染色体定位、共线性分析和蛋白保守结构域序列比对等。通过转录组数据分析陆地棉FLA基因在不同组织中的表达情况。利用实时荧光定量聚合酶链式反应（quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR）检测GhFLAs在不同纤维品质材料的胚珠及不同发育时期纤维中的表达差异。利用病毒诱导的基因沉默（virus induced gene silencing,VIGS）技术验证GhFLA05的功能。【结果】在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组中分别鉴定出41、40、20和21个FLA家族成员，系统进化树显示，棉花FLA蛋白可以分为4个群组。进一步对陆地棉FLA家族蛋白进行分析，41个成员均具有1—2个AGP-like糖基化区域和1—2个类成束蛋白结构域（fasciclin-like domain,FAS），其中，37个含有信号肽（signal peptide,SP）,25个含有糖基化磷脂酰肌醇（glycosylphosphatidy linositol anchored protein,GPI）锚定信号，基因结构和基序组成在各组中相对保守。亚细胞定位显示，GhFLA05＿D可能定位在细胞质的内质网，呈聚集状颗粒，GhFLA18＿A和GhFLA22在细胞膜/壁、细胞质和细胞核中均有表达。转录组测序结果表明，Group A和Group B中的FLA蛋白主要在纤维中高表达，可能参与了棉纤维发育伸长和次生壁加厚等过程。在纤维品质差异显著的2个材料中，Group A和Group B成员具有相似的表达模式，并主要在纤维次生壁发育阶段、尤其是20—25 DPA时期优势表达；其中，GhFLA05在次生壁增厚期表现出特异性表达，两材料间存在显著差异，在高比强的RIL229的次生壁阶段更早达到最大值，推测GhFLA05可能在调控纤维比强度差异形成中发挥作用。利用VIGS技术沉默GhFLA05后，使棉纤维断裂比强度降低。【结论】在陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉中鉴定出122个FLA家族成员，可分为4个群组，不同群组成员间具有较高的结构和功能相似性，并从中鉴定了Group A和Group B成员，可能是主要与棉纤维发育相关的基因。明确家族中GhFLA05是次生壁合成阶段优势表达基因，并与陆地棉不同材料纤维比强度差异形成密切相关。

• 单位
  河北省农林科学院棉花研究所