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类胡萝卜素(carotenoids)是一类重要的天然色素的总称，是一类脂溶性色素，普遍存在于动物、高等植物、真菌、藻类之中。类胡萝卜素是一类光合色素，同时也是植物花、果实等的重要呈色因子之一。八氢番茄红素合成酶（PSY）是类胡萝卜素生物合成途径中的第一个限速酶，它能催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP） 转化形成八氢番茄红素。在玉米胚乳、水稻胚乳、马铃薯块茎、番茄果实、油菜籽中超量表达 PSY 基因能显著提高类胡萝卜素的含量，提高农产品的营养品质。类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCO）催化类胡萝卜素的降解，是影响类胡萝卜素含量的重要因子。
棉花（Gossypium）是世界上重要的经济作物，棉纤维是纺织工业中使用最多的天然纤维，在国民经济中占有重要的地位。天然彩色棉具有免印染，污染小等优势。但是，色彩单一和呈色稳定性差，严重制约了彩色棉产业的发展。培育色彩丰富、呈色稳定的彩色棉新材料具有重要的理论意义和良好的应用前景。
在前期获得转基因材料的基础上，本文首先对Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花的成熟纤维呈色进行稳定性分析，并分析了转基因对棉花次生壁合成期（开花后 20天）纤维转录组的影响。同时，对棉花的CCO基因家族进行了生物信息学分析和表达模式分析，利用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS)，沉默陆地棉组织中优势表达的CCO基因，探究对棉花纤维呈色的影响，构建CCO基因的RNA干扰载体，进行棉花遗传转化。
主要结果如下：
1．Fbl2A::GhPSY2D棉花植株成熟纤维呈色分析
对Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花的成熟纤维进行表型观察，结果发现，相较于对照组，转基因材料的成熟纤维呈现明显的棕黄色。连续 3 个世代的观察结果显示，成熟纤维呈色能够稳定遗传。
2．Fbl2A::GhPSY2D棉花植株成熟纤维品质分析
对Fbl2A::GhPSY2D转基因材料#210、#212号转化子成熟纤维进行衣分测定，结果表明，转基因材料衣分含量显著下降；同时，纤维品质检测结果显示，Fbl2A::GhPSY2D成熟纤维马克隆值显著降低，分别为3.8±0.35和3.85±0.25，其余纤维品质指标无明显变化。
3．Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花#212转化子20 DPA纤维转录组分析
对Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花开花后20天的纤维进行转录组分析，结果显示，总共有8870个基因存在表达差异，其中有上调基因5336个，下调基因3534个。进一步对差异基因进行KEGG富集分析，上调差异表达的基因主要富集在α-亚麻酸代谢途径、植物-病原体相互作用途径、植物激素信号转导途径、苯丙氨酸代谢途径、苯丙烷类生物合成途径、半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径和氨基糖和核苷酸糖代谢途径。下调差异表达的基因主要富集在光合生物中的碳固定途径、光合作用-天线蛋白途径、乙醛酸和二羧酸代谢途径、光合作用途径、碳代谢途径、植物昼夜节律途径、油菜素内酯生物合成途径和磷酸戊糖途径。
4．棉花CCO基因家族成员的鉴定和进化分析
以拟南芥的CCO蛋白序列为参考，在雷蒙德氏棉、亚洲棉和陆地棉蛋白数据库中对CCO蛋白家族成员进行鉴定，分别鉴定得到15、16和30个编码CCO蛋白酶的基因。将拟南芥CCO基因家族成员与棉花CCO基因家族成员进行聚类分析。结果表明，棉花CCO基因家族可以分为6簇，分别为CCD1、CCD4、CCD7、CCD8、CCD-like和NCEDs。
5．CCO基因在陆地棉中的表达模式
根据前人的野生型陆地棉转录组数据，对陆地棉CCO基因家族所有成员在各组织中的表达模式进行 Heatmap 分析，结果显示，与其它基因的表达水平相比， GhCCD1A/1D在陆地棉多数组织中优势表达，此外，GhCCD4-2A在开花后20天纤维中优势表达。同时，选取陆地棉5个组织（根、茎、叶、花瓣以及20 DPA纤维），对GhCCOs基因进行的qRT-PCR检测，与Heatmap结果相符合。
6．沉默CCO基因提高棉花叶片与纤维中类胡萝卜素水平
在白色棉花植株中利用VIGS技术沉默GhCCD1D和GhCCD4-2A基因的表达，棉花子叶呈现明显黄色，类胡萝卜素含量显著提高。另外，以转基因棉花Fbl2A::GhPSY2D为受体，利用VIGS技术下调GhCCD1D和GhCCD4-2A基因的表达，沉默植株28DPA纤维颜色加深。
7．CCO基因RNA干扰载体的构建以及棉花遗传转化
为了进一步调控 GhCCO 基因的表达，构建了棉花遗传表达载体pLGN-pFbl2A-GhCCDs-RNAi，并进行遗传转化。目前，获得了转基因幼苗3株。
以上结果显示，在棉花纤维次生壁合成时期特异上调基因 GhPSY2D的表达水平，可以使棉花纤维呈现棕黄色，下调GhCCD1D和GhCCD4-2A基因的表达，能进一步加深棉花纤维的颜色。通过对类胡萝卜素代谢基因表达水平的调控，改良彩色棉纤维的颜色。
棉花（Gossypium）是世界上重要的经济作物，棉纤维是纺织工业中使用最多的天然纤维，在国民经济中占有重要的地位。天然彩色棉具有免印染，污染小等优势。但是，色彩单一和呈色稳定性差，严重制约了彩色棉产业的发展。培育色彩丰富、呈色稳定的彩色棉新材料具有重要的理论意义和良好的应用前景。
在前期获得转基因材料的基础上，本文首先对Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花的成熟纤维呈色进行稳定性分析，并分析了转基因对棉花次生壁合成期（开花后 20天）纤维转录组的影响。同时，对棉花的CCO基因家族进行了生物信息学分析和表达模式分析，利用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS)，沉默陆地棉组织中优势表达的CCO基因，探究对棉花纤维呈色的影响，构建CCO基因的RNA干扰载体，进行棉花遗传转化。
主要结果如下：
1．Fbl2A::GhPSY2D棉花植株成熟纤维呈色分析
对Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花的成熟纤维进行表型观察，结果发现，相较于对照组，转基因材料的成熟纤维呈现明显的棕黄色。连续 3 个世代的观察结果显示，成熟纤维呈色能够稳定遗传。
2．Fbl2A::GhPSY2D棉花植株成熟纤维品质分析
对Fbl2A::GhPSY2D转基因材料#210、#212号转化子成熟纤维进行衣分测定，结果表明，转基因材料衣分含量显著下降；同时，纤维品质检测结果显示，Fbl2A::GhPSY2D成熟纤维马克隆值显著降低，分别为3.8±0.35和3.85±0.25，其余纤维品质指标无明显变化。
3．Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花#212转化子20 DPA纤维转录组分析
对Fbl2A::GhPSY2D转基因棉花开花后20天的纤维进行转录组分析，结果显示，总共有8870个基因存在表达差异，其中有上调基因5336个，下调基因3534个。进一步对差异基因进行KEGG富集分析，上调差异表达的基因主要富集在α-亚麻酸代谢途径、植物-病原体相互作用途径、植物激素信号转导途径、苯丙氨酸代谢途径、苯丙烷类生物合成途径、半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径和氨基糖和核苷酸糖代谢途径。下调差异表达的基因主要富集在光合生物中的碳固定途径、光合作用-天线蛋白途径、乙醛酸和二羧酸代谢途径、光合作用途径、碳代谢途径、植物昼夜节律途径、油菜素内酯生物合成途径和磷酸戊糖途径。
4．棉花CCO基因家族成员的鉴定和进化分析
以拟南芥的CCO蛋白序列为参考，在雷蒙德氏棉、亚洲棉和陆地棉蛋白数据库中对CCO蛋白家族成员进行鉴定，分别鉴定得到15、16和30个编码CCO蛋白酶的基因。将拟南芥CCO基因家族成员与棉花CCO基因家族成员进行聚类分析。结果表明，棉花CCO基因家族可以分为6簇，分别为CCD1、CCD4、CCD7、CCD8、CCD-like和NCEDs。
5．CCO基因在陆地棉中的表达模式
根据前人的野生型陆地棉转录组数据，对陆地棉CCO基因家族所有成员在各组织中的表达模式进行 Heatmap 分析，结果显示，与其它基因的表达水平相比， GhCCD1A/1D在陆地棉多数组织中优势表达，此外，GhCCD4-2A在开花后20天纤维中优势表达。同时，选取陆地棉5个组织（根、茎、叶、花瓣以及20 DPA纤维），对GhCCOs基因进行的qRT-PCR检测，与Heatmap结果相符合。
6．沉默CCO基因提高棉花叶片与纤维中类胡萝卜素水平
在白色棉花植株中利用VIGS技术沉默GhCCD1D和GhCCD4-2A基因的表达，棉花子叶呈现明显黄色，类胡萝卜素含量显著提高。另外，以转基因棉花Fbl2A::GhPSY2D为受体，利用VIGS技术下调GhCCD1D和GhCCD4-2A基因的表达，沉默植株28DPA纤维颜色加深。
7．CCO基因RNA干扰载体的构建以及棉花遗传转化
为了进一步调控 GhCCO 基因的表达，构建了棉花遗传表达载体pLGN-pFbl2A-GhCCDs-RNAi，并进行遗传转化。目前，获得了转基因幼苗3株。
以上结果显示，在棉花纤维次生壁合成时期特异上调基因 GhPSY2D的表达水平，可以使棉花纤维呈现棕黄色，下调GhCCD1D和GhCCD4-2A基因的表达，能进一步加深棉花纤维的颜色。通过对类胡萝卜素代谢基因表达水平的调控，改良彩色棉纤维的颜色。