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朱玉贤主讲才斋讲堂第七十七讲:棉纤维伸长机制与基因组学研究进展
日期: 2014-04-21  信息来源: 新闻网记者 陈圆圆

4月17日晚,北京大学生命科学学院朱玉贤院士主讲才斋讲堂第七十七讲,带领大家回顾了棉纤维细胞伸长机制研究、分析和实验验证的全过程,并介绍了他在2013年主持完成的亚洲棉基因组序列组装和分析工作进展。讲座由研究生院常务副院长严纯华院士主持。

 
朱玉贤主讲才斋讲堂第七十七讲

“人们常用‘民以食为天’来说明水稻的重要性,我想‘衣锦还乡’也可以说明棉花的重要性。”朱玉贤首先介绍了棉花在世界纺织工业中重要的经济地位。而我国是世界第一产棉大国,每年平均种植棉花占世界棉花总产的22.3%,但纺织品服装出口仅占世界纺织品贸易总额的15%左右。我国纺织出口业在低端徘徊的现状主要与我国棉花的物理性质相关。中国原棉的平均长度是3厘米,而美国原棉平均长度为3.3厘米。纺成高支纱的棉布需要长棉,因此我国棉纺织产业在高端棉花的需求上一直依赖于美洲进口。为了让中国的棉花纤维长高0.3厘米,朱玉贤和他的团队进行了棉纤维细胞伸长机制研究,他从五个方面介绍了研究进展。

其一、Microarray杂交显示植物激素乙烯在纤维发育过程中具有重要作用。1998年国务院提出建设优质棉工程,朱玉贤开始从事棉纤维的研究。人有两套染色体,而棉花有四套染色体,八万多个基因,研究更加复杂。最初他制作了棉花芯片,将野生型陆地棉和它的无纤维突变体进行比较,希望能够找到两者在基因表达上的差异。他发现,比较芯片中的12000多个棉花基因,居然5000多个基因表达有明显的不同,且发生最显著变化的是乙烯。进一步分析实验,发现外源施加乙烯能显著促进纤维细胞伸长,反之,加入乙烯生物合成的抑制剂AVG能完全抑制纤维细胞伸长,且均不影响胚珠细胞生长。由此他得出结论:植物激素乙烯生物合成途径在棉花纤维发育早期显著高调,且外源乙烯能够促进棉花纤维显著伸长。

其二、超长链脂肪酸合成途径可能参与棉纤维发育调控。进一步研究发现,超长链脂肪酸是控制棉纤维伸长发育充分和必要条件。超长链脂肪酸处理能使棉纤维和拟南芥根细胞显著伸长,棉花KCS基因能互补酵母缺失突变体,C24能恢复被ACE所抑制的纤维细胞伸长过程,且长纤维棉花种质中所含有的超长链脂肪酸总量显著高于中短纤维棉花种质。

其三、超长链脂肪酸(VLCFA)通过调控植物激素乙烯的生物合成影响棉纤维伸长。之前的研究进展让人喜出望外,然而随之又带来第三个难题:乙烯是如何调控纤维伸长的?朱玉贤笑着说:“那两个多月里,我每天到实验室的第一件事就是问学生‘实验有没有结果?’得知又没有结果,我就会‘暴跳如雷’” 。有一天,他突然灵光一闪:既然乙烯不调控所有已知参与超长链脂肪酸合成与延伸基因的表达,那为何不倒过来做实验,用超长链脂肪酸处理棉花胚珠,看看乙烯合成酶基因表达是否受超长链脂肪酸调控?循着这一思路,他们得出了饱和超长链脂肪酸主要通过调节植物激素乙烯的生物合成来控制细胞伸长的研究成果。

其四、研究乙烯调控棉纤维细胞伸长的作用机理,发现乙烯可能通过激活重要核苷糖生物合成代谢途径,促进细胞初生壁果胶合成,从而刺激细胞伸长。

其五、采用非损伤微测技术(SIET)来检测伸长初期纤维细胞中钙离子分布及内流,从而探讨棉纤维细胞伸长Tip-growth 和Diffuse-growth两种模式。

随后,朱玉贤给同学们介绍了棉花基因组学的研究进展。陆地棉作为同时拥有两套亚基因组的异源四倍体,其基因组和功能基因组分析都极具挑战性。为了更准确、完整地刻画棉花基因组的全貌,他选取了亚洲棉(Gossypiumarboreum)和雷蒙德氏棉(Gossypiumraimondii)作为全基因组序列分析的对象。通过测定两个棉花基因组序列并加以比较,发现两个基因组大小相差一倍多,但基因数目相差不大,基因集也是极为保守的。亚洲棉和雷蒙德氏棉在约3300万年前与可可(cacao)分化之后,约1600万年前又经历了一次棉花特有的全基因组复制事件,此后逐步分化渐渐形成两个不同的棉属物种。随后,朱玉贤又展示了他们基于基因组的功能基因研究,乙烯在棉纤维发育过程中扮演的“双刃剑”角色,抗病基因家族的扩张和收缩对于棉花抵抗黄萎病的能力有重要意义,对CDN1基因的系统发生分析还揭示了棉酚这一棉花特有化合物的起源和进化。

最后,朱玉贤用两句颇具哲理的话勉励现场的同学们:“如果你问我为什么要投身于科学事业,我的回答是:为了拥有更好的生活!如果你问我为什么要有好的生活,我的回答是:为了长期愉快地从事科学研究!”朱玉贤严谨细致的讲解和一丝不苟的科学态度得到了同学们的积极响应。在随后的互动环节,同学们向朱玉贤踊跃提问,并就转基因食品安全、乙烯的特性、改善棉纤维织物等问题与他进行了交流。

 

编辑:安宁


   
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