陆地棉(Upland cotton，拉丁名Gossypium hirsutum)是世界上应用最广泛的自然纤维的来源。棉花纤维，也就是通常说的表皮毛，是从胚珠表皮细胞分化而来的单细胞结构。陆地棉的成熟纤维通常能长到30-40毫米长，大约15微米的厚度，占世界棉花产量的90％以上，还有5-8％有另一个四倍体棉花，海岛棉生产得到(Gossypium barbadense)。 棉花产量主要由两个生物过程决定：纤维细胞的起始，和纤维细胞的伸长。纤维的起始决定了在每个棉花胚珠上纤维的数量，纤维细胞的伸长则决定了每根纤维的最终长度和强度。在最活跃的伸长期(开花后5-20天)，陆地棉纤维细胞以最大为2毫米，天的速度快速生长。作为世界上最长的植物细胞之一，棉花纤维细胞被公认为是研究细胞伸长和细胞壁生成的标准系统。 本文目的是通过大规模分析棉花纤维细胞发育的表达谱，研究棉纤维细胞伸长的分子机制。 本人从开花后5-10天陆地棉纤维cDNA文库中随机挑取36,000个克隆并进行随机测序，获得了29,992条平均长度在500bp以上EST序列。通过序列拼接获得1 2,233条陆地棉独立EST序列，占当时全球陆地棉独立EST数量的72％(截止到2004年底)。截止到2007年3月，在全球棉花学界和基因组研究人员的努力下，美国国家生物信息中心数据库GenBank中已经有178,000余条陆地棉EST，而本实验室通过继续大规模测序，共获得了110,300余条EST序列，其中独立EST数量为30,154条，占全球陆地棉独立EST数量的60％。 本文建立了含有约11，700个陆地棉基因的微阵列芯片，以此为基础，研究纤维细胞发育的表达谱。通过对棉花纤维cDNA文库进行测序以及后续的微阵列分析，共鉴定了778个与纤维细胞伸长特异相关的基因。随后，本文引入了一种代谢途径分析软件KOBAS(KEGG Qrthology Based Annotation System)用于分析这些纤维特异基因，发现乙烯合成是纤维伸长过程中最显著上调的生物代谢途径之一，介导乙烯合成的类甲硫胺酸氨基环丙烷羧酸氧化酶基因(ACO1-3)在纤维细胞伸长时期表达很高。体外培养的棉花胚珠释放的乙烯气体的含量与ACO基因表达水平以及纤维生长速度相一致。外缘添加的乙烯气体能显著促进纤维细胞的伸长，而乙烯合成抑制剂AVG能特异地抑制纤维的生长。油菜素(BR)合成途径在纤维生长过程中有轻微上调，用BR或油菜素合成抑制剂BRZ处理纤维也能引起纤维细胞的伸长和抑制。但相比之下，用乙烯处理的效果要明显得多，而且乙烯气体能够解除BRZ对纤维细胞伸长的抑制作用，但BRZ则不能逆转AVG对纤维细胞伸长的抑制。结果表明，乙烯在促进棉花纤维伸长中起主导作用，并且可能通过提高蔗糖合酶、微管蛋白以及扩展素基因的表达而促进纤维细胞伸长。除此之外，我还从文库中分离得到了13个钙调蛋白依赖型蛋白激酶，发现其中有两个成员与纤维伸长特异相关。进化树分析发现这两个基因分别与拟南芥AtCRK5和AtCDPK1同源性最高。体外胚珠培养实验发现，阻止了CDPK的信号通路会导致纤维不能伸长，而这种抑制作用不能被外源的乙烯恢复。因此推测，钙信号通路可能是乙烯促进纤维细胞伸长所必须的。