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棉花既是重要的纤维作物,又是重要的油料作物。棉纤维由胚珠外珠被表皮细胞分化发育而来,其发育过程分为起始、伸长、次生壁加厚和脱水成熟四个相互独立而又互有重叠的阶段。纤维发育突变体是非常有价值的研究材料,有助于我们更好的探索纤维发育相关基因的分子调控机制。目前,棉花上已报道了多个纤维突变体材料。其中新乡小吉无绒无絮(XinWX)为起始发育突变体,成熟的棉籽表面无长纤维和短绒。新乡小吉无绒有絮(XinFLM)材料为来源于XinWX的光籽突变体,表现为成熟棉籽表面有长纤维无短绒。遗传分析表明XinFLM是XinWX控制纤维发育基因发生显性突变造成的,两者在棉纤维发育上仅有一个位点的差异。本研究以XinWX和XinFLM为研究材料,通过高通量cDNA芯片技术分析比较了这两个材料在纤维发育起始期的表达谱差异,旨在发现纤维起始发育过程中起重要作用的基因或代谢途径。主要研究结果如下：1.新乡小吉无绒无絮(XinWX)和新乡小吉无绒有絮(XinFLM)成熟棉籽的形态特征表明,XinFLM有长纤维无短绒,而XinWX既无长纤维也无短绒。电镜观察表明,XinWX在-1 DPA,0 DPA.1 DPA胚珠表面均未见任何纤维细胞的突起。XinFLM在-1 DPA胚珠表面未见任何突起,而在0 DPA胚珠表面发现纤维细胞开始大量突起,1 DPA纤维突起数目继续增多,且部分突起细胞已经开始伸长。说明XinWX为纤维起始发育缺陷材料,而XinFLM纤维的突起发生在开花当天。2.利用含29,184个纤维发育相关探针的cDNA芯片比较分析XinWX和XinFLM材料在-1 DPA,0 DPA,1 DPA纤维发育时间点的表达谱差异,对同一材料不同发育时间点以及同一发育时间点两个材料间的差异基因数进行统计。通过比较0 vs-1DPA,1 vs 0 DPA,1 vs-1 DPA发育阶段的差异表达基因,发现在XinFLM中的差异表达基因数(foldchange>2倍,FDR<0.05)均高于XinWX,表明在XinFLM中有大量基因参与纤维的起始发育。两个材料在相同时间点的基因表达差异分析表明,在-1DPA、0 DPA、1 DPA 3个时间点的差异基因数分别为834、357、1000。在0 DPA差异基因数最少,1 DPA的差异基因数最多。推测由于0 DPA XinFLM纤维已经开始突起,一些参与纤维发育的基因在-1 DPA表现的更为活跃。在1 DPA,大量参与早期纤维伸长的基因开始行使功能。3.利用Blast2G0软件对所有差异基因进行GO功能注释及富集分析。结果显示在同一材料不同发育时期以及不同材料相同发育时间点的差异基因均多次富集到参与氧化还原、激素合成代谢、碳水化合物代谢、脂质转运等相关进程,说明上述途径在纤维起始发育过程中扮演重要的角色。同时,研究发现大量的转录因子也表现为显著差异表达。其中12个ERF类转录因子成员表达一致,均表现为在-1 DPA或0 DPA的XinFLM中共上调表达,定量分析验证7这一结果。说明ERF类家族基因参与纤维起始发育调控。差异表达谱分析进一步发现与茉莉酸合成相关的AOC基因均在XinWX中共上调表达,而与油菜素内酯代谢相关基因则在XinFLM中共上调表达。表明茉莉酸在纤维起始发育过程中起负调控作用,而油菜素内酯则起正调控作用。4.富集分析表明参与茉莉酸合成的AOC相关基因均在XinWX中共上调表达。为了阐明AOC家族基因表达与棉纤维发育关系,以已克隆的GhAOC保守域序列为探针在公开释放的D基因组序列信息中共搜索到4个AOC类基因(Gorai.004G046300, Gorai.008G185600, Gorai.004G046400, Gorai.004G046100)。其中Gorai.004G046100与TM-1已克隆的GhAOC是同源基因,其余3个AOC在TM-1中相应的同源序列分别命名为GhAOC2 (Gorai.004G046300), GhAOC3 (Gorai.004G046400), GhAOC4 (Gorai.008G185600). TM-1不同组织器官以及纤维发育期的定量表达分析表明,4个AOC基因均在纤维起始发育期优势表达,尤其在-1 DPA表达水平较高,暗示AOC基因可能参与棉纤维的起始发育。进一步检测这4个基因在不同纤维发育突变体起始期-3-3 DPA的表达特征,发现这4个基因具有相似的表达趋势,在无絮突变体中的表达显著高于有絮材料,并且在-1 DPA达到表达高峰,推测过高AOC转录水平可能抑制纤维的发育。综合上述分析,AOC参与纤维的起始发育,但过表达抑制纤维发育。5.前人报道JA与合成JA的相关酶间存在反馈调节。AOC是合成JA的关键酶。利用JA活体和离体处理棉花材料,以阐明JA与AOC关系。4个AOC基因都受到JA诱导表达,且表达趋势一致。JA处理4h后AOC转录水平明显增高,并持续到12h,在8h达到表达高峰,说明AOC基因受JA诱导表达。推测在纤维起始发育过程中,内源JA水平的增高诱导AOC的高表达,而AOC的表达又进一步调控了植物体内的JA动态平衡。为了研究JA与纤维起始发育关系,进一步检测参与JA合成或代谢途径且在起始期差异表达的7个基因进行定量分析,结果显示这7个基因都在XinWX纤维起始期上调表达,且在-1 DPA差异最明显,与AOC基因的表达一致。说明在XinWX起始期可能具有高水平的JA,从而抑制纤维的发育。通过采集-2 DPA的胚珠,在添加不同浓度JA的培养基中离体培养2天,电镜观察JA浓度对纤维发育的影响。结果表明外源添加0.1μM JA就可明显抑制纤维的启动,随着浓度增大,抑制效果更加明显,添加2.5μM JA胚珠表面没有发现纤维的突起。表明JA参与纤维的起始发育,然而高水平的JA抑制纤维的起始发育,并且具有明显的浓度效应。