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棉花是世界上最重要的的经济作物之一，能够为人们的生活提供丰富的纤维及油料资源。尽管人们很早就种植棉花并对其进行驯化，但是如何利用分子育种的手段提高棉花的产量及品质仍然是当前迫切需要解决的问题。目前，我国大量种植的棉花主要是陆地棉。陆地棉（AADD）是四倍体植物，其基因组比较复杂，使得对其进行分子育种存在一定的困难。亚洲棉（AA）和雷蒙德氏棉（DD）是二倍体植物，分别在印度或南美洲部分地区种植，亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组测序完成的时间较早，所以早期对棉花基因的研究主要依赖于雷蒙德氏棉和亚洲棉的基因库。近年来，随着四倍体陆地棉全基因组测序的完成，使得对陆地棉的研究成为可能。 作为一种植物发育必不可少的环境因素，光对植物的生长发育起到了至关重要的调节作用。植物感应光的受体有向光素、光敏色素、隐花色素以及 UV8等，通过这些光受体，植物可以整合不同的光信号，调节其生长发育。其中，蓝光受体向光素在模式植物拟南芥中功能的研究比较深入，向光素1（PHOT1）和向光素2（PHOT2）主要参与调节植物的运动反应，包括植物向光性、叶绿体运动，气孔运动以及子叶伸展等。PHOT2包括两个光、氧和电压敏感区LOV1、LOV2和Ser/Thr蛋白激酶区。研究证实LOV区在受到蓝光诱导后，FMN和胱氨酸39形成共价化合物改变蛋白构象，从而激活蛋白激酶区引起植物受体的自磷酸化，引起植物一系列的生理生态反应。本文主要探讨PHOT2在植物叶绿体运动调控作用。 论文首先在中国农业科学院棉花研究所的陆地棉数据库中利用拟南芥AtPHOT2氨基酸序列进行 BLAST（ http://cgp.genomics.org.cn/page/species/index.jsp），获得棉花GhPHOT2亚家族共九条基因的氨基酸序列，分别为CotAD_09562（A基因组九号染色体）、CotAD_12100（D基因组十三号染色体）、CotAD_13007（A基因组八号染色体）、CotAD_29566（D基因组三号染色体）、CotAD_33323（位置不明）、CotAD_33403（A基因组十三号染色体）、CotAD_58277（位置不明）、CotAD_60197（A基因组五号染色体）、CotAD_70827（A基因组八号染色体）。经过生物信息学分析，选定一条与拟南芥AtPHOT2氨基酸序列的同源性高达66％的陆地棉基因CotAD_58277作为研究对象，生物信息学分析表明该基因具有两个PAS结构域和一个蛋白激酶结构域，把该基因命名为GhPHOT2-1，并进行深入的研究。 通过构建GhPHOT2-1超表达载体并通过农杆菌侵染拟南芥phot2突变体，我们获得了重新具有叶绿体运动功能的回补株系，证明了棉花基因GhPHOT2-1在拟南芥中可以控制叶绿体的避光运动。同时，通过侵染拟南芥phot1phot2双突变体，我们获得在强蓝光下下胚轴向光弯曲的株系，确认了棉花基因GhPHOT2-1具有控制下胚轴向光弯曲的功能。通过构建GhPHOT2-1的GFP载体并进行亚细胞定位分析，我们发现棉花基因GhPHOT2-1和拟南芥AtPHOT2的亚细胞定位一致，都定位在细胞膜和叶绿体膜上，并且GhPHOT2-1与AtPHOT2都在蓝光的介导下发生迁移现象，向细胞质内转移，尽管其转移程度存在差异。通过对phot2突变体和回补材料实施强光照射，我们发现，突变体叶片受到伤害，而回补材料的叶片可以避免此伤害。同时，对 wt、phot2、phot1phot2和回补材料在PSII阶段的光能转化效率（Fv/Fm）测定结果表明，棉花GhPHOT2-1基因能够使突变体的光能转化效率回补至 wt水平。此外，我们也通过 VIGS技术对GhPHOT2-1在棉花中响应光的功能进行了验证。我们发现，得到的GhPHOT2-1沉默植株叶片叶绿体在强蓝光照射下没有避光能力，叶片出现了斑状损伤。另一方面，棉花GhPHOT2-1超表达株系的叶片透光率在白天显著高于野生型和基因沉默型，而且，超表达株系的平均棉铃重和纤维长度都优于野生型。以上结果表明，GhPHOT2-1基因在棉花中起到了避免叶片受到强光伤害的作用，并在一定程度上有助于提高植物体光合效率。 综上所述，我们发现棉花GhPHOT2-1基因具有高度保守性，参与调控拟南芥的下胚轴向光弯曲、叶绿体避光运动和气孔开闭。GhPHOT2-1在棉花中调控叶绿体避光运动并起到了提高光合效率的重要作用，能够作为棉花分子育种的目标基因。