棉花是我国重要的经济作物,在我国的国民经济中地位突出。培育高产优质的棉花新品种一直是棉花研究领域的重要课题。纤维和种子是棉花的主要经济产物,在其发育过程中需要大量的碳水化合物,尤其是棉花纤维,90%以上都是纤维素。因此,棉花产量和品质与光合产物的运输分配密切相关。蔗糖是大多数高等植物光合作用同化产物的主要运输形式,可为植物的生长发育提供碳源与能量。植物光合作用产生的蔗糖大部分经韧皮部的长距离运输到达库组织,在其运输过程中位于质膜上的蔗糖转运蛋白(SUT/SUC)发挥着重要作用。为寻找适宜的蔗糖转运蛋白,以实现将“源”中的碳水化合物定向的运输至“库”中,从而提高库势,以期提高棉花的产量。本文分析了两个棉花蔗糖转运蛋白基因GhSUT1和GhSUT4的表达模式,利用转基因手段在棉花中上调和下调GhSUT1和GhSUT4的表达,分析了这两个基因表达水平的改变对棉花产量与品质性状的影响。主要研究结果如下:1.GhSUT1与GhSUT4的表达特性同源性分析发现GhSUT1氨基酸序列与马铃薯、番茄的SUT1和拟南芥SUC2具有较高的同源性;GhSUT4氨基酸序列与拟南芥SUC4和马铃薯、番茄SUT4同源性较高。Real-Time PCR分析结果显示,GhSUT1主要在“源”器官中(棉花叶片与茎)优势表达,而在纤维和胚珠(“库”器官)中表达水平很低。而GhSUT4除在茎中表达高外,在纤维(“库”)中也有优势表达。将GhSUT1与GhSUT4的上游调控序列与GUS报告基因融合构建植物表达载体并分别转入烟草和棉花。转基因植株GUS染色结果表明,在烟草及棉花的茎和叶片中GhSUT1启动子的GUS信号比pGhSUT4强。在15-DPA棉铃中,GhSUT4启动子的GUS活性强于pGhSUT1,该结果与GhSUT1和GhSUT4在野生型棉花中的表达特性相吻合。2.GhSUT1与GhSUT4在细胞中的定位与功能验证烟草瞬时表达系统定位分析结果表明,GhSUT1与GhSUT4均定位在细胞质膜上。酵母功能互补实验证明GhSUT1与GhSUT4均具有吸收转运蔗糖的功能。3.上/下调GhSUT1表达水平对棉花同化物分配及产量和品质性状的影响利用组成型启动子超表达和干扰GhSUT1,获得转基因棉花。GhSUT1表达上调后T1代转基因植株叶片中可溶性总糖含量降低了14.2%,纤维和胚珠中可溶性总糖含量变化不明显。GhSUT1超表达转基因棉花的产量因子与纤维品质性状均无明显变化。而GhSUT1表达受到干扰后,T1代转基因植株叶片中可溶性总糖增加了15.6%,淀粉含量提高17.2%,叶片与野生型相比增大15.1%,纤维和胚珠中可溶性总糖含量增加21.6%。转基因棉花的铃重增加7.6%,但单株铃数也有降低;衣指升高6.8%,单粒种子上成熟纤维数量增加12.0%,纤维长度与马克隆值无明显变化。由于GhSUT1主要是在叶片中表达,推测GhSUT1可能主要参与了叶片蔗糖在韧皮部的装载,干扰此基因的表达导致棉花叶片糖的积累。4.上/下调GhSUT4表达水平对棉花同化物分配及产量和品质性状的影响上调GhSUT4表达后T1代转基因植株叶片可溶性总糖含量降低了20.6%,纤维与胚珠中可溶性总糖含量升高28.4%,铃重增加8.1%,衣指提高8.9%,单粒种子上成熟纤维数量增加25.5%,纤维长度与马克隆值变化不明显。上调GhSUT4转基因材料的农艺性状变化与GhSUT1表达下调相似。与干扰GhSUT1表达的结果相反,下调GhSUT4的表达,T1代转基因植株叶片以及单株棉铃内可溶性总糖含量减少,铃重降低30.9%,衣指下降了25.6%,子指减少18.1%,单株结铃数下降41.5%,成熟纤维马克隆值也降低,但纤维数量无明显变化。结合GhSUT4在棉花各部位的表达模式,推测GhSUT4主要参与“库”中蔗糖韧皮部的卸载。5.GhSUT1和GhSUT4表达水平下调对其它SUT基因表达的影响下调GhSUT1导致GhSUT5、GhSUT7和GhSUT9基因的表达水平明显下调,GhSUT2、GhSUT4和GhSUT6表达增加。与此相反,抑制GhSUT4基因的表达,GhSUT1、GhSUT5和GhSUT9基因表达明显增加,其它几种SUT均无明显变化。该结果从另一个侧面反映了GhSUT1和GhSUT4在棉花光合产物运输分配中的功能有所不同。上述结果表明,GhSUT1主要在源叶器官中作用,促进蔗糖从叶片向外的运输,可能在叶片韧皮部起装载蔗糖的作用;而GhSUT4则在纤维和胚珠等“库”器官中作用,可能承担蔗糖在韧皮部的卸载功能。