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棉纤维(fiber)是棉种上的表皮毛,是由棉花胚珠外珠被表皮层单细胞分化发育而成。只有不到30%的表皮细胞才能发育成特异的单细胞纤维,因此棉纤维发育的起始阶段是整个纤维发育过程中的一个重要过程。根据前期的研究,棉花纤维的起始发育包括两部分：长纤维(lint,也称为长绒,絮)起始和短纤维(fuzz,也称短绒)起始,长绒表型变化在开花当天到开花后2天发育而成,一般伸长到2.5～3.5 cm；而短绒起始表型变化发生在开花后5-10天形成,长度通常只有0.5 cm左右。很多证据表明在表型变化之前,内部已经进行着一系列的生理生化反应。一般来说,纤维和短绒的分化发生在其表型突起之前2～3天。根据陆地棉成熟种子上短绒和长绒的有无以及长绒的长度,将陆地棉纤维突变体分为无绒有絮突变体、无绒无絮突变体和极短纤维突变体三种类型,前两者统称光子突变体。光子突变体不仅是棉花育种的重要资源,还是研究纤维起始和发育的重要材料。弄清纤维的遗传及相关基因的表达模式及其生物学功能,系统地阐明棉纤维细胞发育调控的分子机理,不仅能更深入地了解棉纤维的起始发育机制,而且能通过分子设计育种改善棉纤维的产量与品质。对充分利用棉花自身基因资源、提高棉花产量、改良纤维品质乃至发展人工棉纤维都具有重要意义。一、棉花纤维突变体的遗传分析本实验使用6个亲本材料(MD17、XZ142FLM、SL1-7-1、N1NSM、n2NSM、TM-1)两两杂交,共配置了15个F2,11个F2：3和20个BC1,通过后代的长绒和短绒的性状分离进行遗传分析,推出一个理论模型,能够合理的解释各个杂交组合的分离。这个模型包括五对基因M1,N2,F/1,Fl2,F/3,其中N1是一个调控因子,本身不起作用,显性时调控N2的作用,N2是一个多效基因,同时控制长绒和短绒的起始,Fl1,Fl2,F/3只控制长绒的发育,与短绒发育无关。通过研究发现纤维的长绒和短绒起始发育具有相似性。推测6个材料的基因型可能是：SL1-7-1,N1N1N2N2fl1fl1fl2fl2Fl3Fl3XZ142FLM, n1n1n2nzfl1fl1Fl2Fl2Fl3Fl3,MD17,N1N1n2n2Fl1Fl1Fl1fl2fl2fl3fl3, N1NSM,NININ2N2fl1fl1Fl2Fl3Fl3Fl3,n2NSM, n1n1n2n2Fl1Fl1Fl2Fl2Fl3Fl3,和TM-1,n1n1N2N2Fl1Fl1Fl2Fl2Fl3Fl3。二、纤维发育基因的分子定位利用(SL1-7-1×TM-1)F2作图群体和标记进行全基因组覆盖扫描,初步将无短绒基因N1定位在A12 (Chr.12)上,与SSR标记NAU5268遗传距离为25.10 cM。利用(SL1-7-1×N1NSM)群体将无长绒基因fl2也定位在A12 (Chr.12)上,与SSR标记NAU5306连锁,遗传距离为39.64 cM。应用海陆群体(SL1-7-1 ×军海1号)和(SLl-7-1×新海16)也将无短绒基因M定位在A12(Chr.12)连锁群上。说明A12 (Chr.12)与纤维起始密切相关。应用Win QTLCart 2.0的复合区间作图法对(SL1-7-1×TM-1)F2和F2：3群体的衣分性状进行QTL检测,每个世代分别检测到1个与衣分相关的QTLs,而且都在A12(Chr.12)连锁群上,平均可以解释77.02%的表型变异,2个世代检测到的QTLS峰值位置在24.0 cM,靠近标记N1,说明N1和衣分相关。三、起始转录表达谱分析利用高通量Illumina/Solexa Genome Analyzer测序技术对棉花无绒无絮纤维突变体材料(XZ142FLM. MD17、SL1-7-1)和正常对照材料(TM-1)的初始发育时期(-3DPA,-1 DPA,+1 DPA,+3 DPA和+5 DPA)进行动态的转录组学研究。差异表达基因定义为FDR≤0.001且倍数差异在2倍及以上的基因。共同差异基因进行了相似性分析,聚类分析,mapman的功能富集分析,及KEGG的pathway富集分析以及转录因子的家族富集分析。研究TM-1/突变体的转录分析中发现,转录和转座元件在突变体中高表达,而核糖体,蛋白组装元件在TM-1中高表达,在pathway中上调和下调的基因都显著富集到淀粉和蔗糖代谢(Starch and sucrose metabolism)和嘌呤代谢(Purine metabolism)相关途径,用“源-库-流”的概念解释,推测源少,库大,导致运转不畅,突变体起始能量不足时突变体不产生纤维的一个主要原因。在三个时期都检测到MYB类和zinc-finger protein类的转录因子,在-1DPA和+IDPA两个时期编码WD40,GL3,bHLH的基因明显增多,参照拟南芥表皮毛的发育研究,MYB-bHLH-WD40蛋白复合体决定表皮细胞的分化。推测在棉花中可能也存在有相似的蛋白复合体调控棉花纤维的初始发育。但是TM-1初始发育表达谱研究中发现：GhGL2在拟南芥模型中,该基因在起始后期优势表达。而在棉花中该基因有可能在棉花纤维起始发育前期优势表达。棉纤维发育的机理可能与拟南芥的不太相似。