目的:花青素是一种水溶性色素,其在植物体内的积累和分布不但为植物花朵或果实提供艳丽的色彩和丰富的图案以诱引传粉者和种子传播者,还可以保护植物免受生物和非生物胁迫。此外,花青素因其抗氧化和抗突变性而被广泛用于食品和医疗行业。迄今为止,关于花青素生物合成和调控在模式植物和园艺植物中被广泛研究,但棉花中此类研究的相关报道还比较少。本课题组前期引进了1份陆地棉红叶种质资源（命名为HY）,初步研究发现该种质红叶表型的形成是由花青素的积累导致,且受到光诱导。本研究以HY材料为基础,对陆地棉花青素合成和调控分子机制进行探究,为棉花抗逆性研究与彩色棉育种提供理论基础。方法:采用极端性状混池测序（BSA-seq）、基因功能注释以及克隆测序的方法筛选HY红叶表型的候选基因,利用VIGS、转基因超表达和基因编辑技术来验证候选基因。利用比较转录组（RNA-seq）方法分析不同光质对HY植株花青素合成和调控基因的影响,并通过GO、KEGG以及GSEA分析揭示陆地棉花青素生物合成的调控网络;对Gh CRYs、Gh HY5s和Gh GSTs基因进行全基因组鉴定,并用VIGS、双荧光素酶、GUS组织染色、瞬时过表达以及拟南芥突变体互补实验对参与花青素调控和积累的CRY、HY5和GST基因进行功能研究。结果与结论:（1）HY红叶表型是由花青素积累造成的;利用BSA-seq将红叶候选基因定位于D07染色体上,候选区间大小为8.12 Mb。结合定位区间内候选基因注释和基因表达分析,将一个MYB113转录因子（Gh RLC1/GH＿D07G0852）作为棉花红叶种质（HY）的主要候选基因。进一步测序发现HY红叶种质中,Gh RLC1启动子上存在227 bp的串联重复和1 bp的插入,初步认为该启动子序列突变是导致红叶表型出现的主要原因。启动子活性实验表明该基因启动子最小活性片段为455bp;Gh RLC1在绿叶棉中的瞬时或稳定超表达均能上调涉及花青素合成的结构基因,使绿色组织积累花青素而变红;通过VIGS和基因编辑技术敲低Gh RLC1表达量后,HY叶片中花青素合成通路中结构基因表达量以及花青素含量也随之下降。敲除株系和过表达株系的杂交实验证实Gh RLC1在调控棉花花青素的生物合成中具有剂量效应。以上结果表明,HY植株中Gh RLC1启动子上重复区段（227 bp的重复和1 bp的插入）是造成该基因超量表达、花青素合成通路激活以及花青素积累表型出现的主要原因。（2）GO、KEGG和GSEA分析显示,来自3个比较组的6838个非冗余差异表达基因（DEGs）主要分布在“昼夜节律”、“苯丙烷类生物合成”、“花青素生物合成”、“黄酮和黄酮醇生物合成”等通路。参与光信号感知和转导（PHY、CRY、HY5）、花青素早期生物合成（PAL、C4H、4CL、CHI、CHS、F3H、F3’H、F3’5’H）、晚期生物合成（DFR、ANS、UFGT）以及转运（GST、ABC、MATE）的基因均能被红光或蓝光诱导,提高HY植株的花青素含量。红光对花青素合成和调控基因的诱导作用明显强于蓝光,但在蓝光诱导下能够积累更多的花青素,而红光对原花色素积累效果更为显著。（3）通过对陆地棉的全基因组分析,一共鉴定出了10个Gh CRY基因。根据其保守结构域和系统进化树分析将其分为Gh CRY1、Gh CRY2以及Gh CRY-DASH三个亚族。启动子分析显示,10个Gh CRY基因启动子中数目最多的元件是光响应基序,其次是MYB和MYC结合基序、激素和胁迫响应基序。组织特异性表达分析显示,Gh CRY1、Gh CRY2和Gh CRY-DASH分别在茎、萼片和叶中高表达且均受到蓝光诱导。VIGS实验结果显示,Gh CRY1a和Gh CRY1b被沉默以后HY植株花青素含量显著下降。此外,从KEGG富集分析中的“昼夜节律”通路中发现了一个注释为HY5的基因,该基因表达在Gh CRY1沉默植株中显著降低。系统发育树和转录谱分析初步确定该基因涉及花青素生物合成调控。VIGS技术降低Gh HY5转录水平后,HY植株失去了蓝光诱导下的花青素积累表型;GUS和双荧光素酶实验显示Gh HY5能够结合在Gh RLC1启动子的G-box基序上,从而驱动其表达。这些结果表明,Gh HY5通过激活Gh RLC1的表达来调控棉花花青素的积累。（4）在转录组数据中发现了许多受红蓝光诱导的GST基因。对GST基因进一步研究发现,陆地棉一共有100个Gh GST基因随机分布在除了A06以外所有染色体上。系统进化分析显示Gh GST可分为10个亚族,其中tau（U）和Phi（F）亚族成员数量最多。对F亚族成员的系统发育和转录数据分析,初步确定Gh GSTF12（GH＿A07G0814和GH＿D07G0816）基因参与花青素积累。实验发现,Gh GSTF12在拟南芥tt19突变体中的异位表达能够互补其叶色缺陷表型;在HY植株中,病毒诱导的Gh GSTF12沉默使其失去因花青素积累而呈现的红色表型,且并不影响花青素生物合成结构基因和调节基因的表达;在光照条件下,Gh GSTF12的瞬时超表达仅加速了HY植株中花青素的积累,而对绿叶植株却没有影响。这些结果表明Gh GSTF12参与了棉花花青素的积累过程。