[發明專利]棉花GhMATE1基因及其在改良棉花棕色纖維色澤中的應用

有效

• 申請號: 201310557520.8
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103602687A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 李付振;祝水金;邱新棉;吳學龍;王美興
• 申請（專利權）人: 浙江省農業科學院;浙江大學
• 主分類號: C12N15/29
• 分類號: C12N15/29;C12N15/84;C12N1/21;C07K14/415;A01H5/00
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司 33214
• 代理人: 王從友

技術領域

本發明涉及一種改良棉花纖維色澤基因技術，尤其涉及一種棉花基因及其構建的植物表達雙元載體并在改良棉花棕色纖維色澤中的應用。

背景技術

天然彩色棉是一種棉纖維具有自然色彩的特殊類型棉花，因其具有獨特的自然色彩，在紡織及加工過程中無需漂染，對人類和環境無污染、穿著舒適，特別適合制作貼身衣物，是真正的“生態”、“環保”棉，從而引起國內外棉花育種家和紡織、服裝工業界的廣泛關注，被譽為21世紀國際市場最具潛力的生態紡織品。中國彩色棉的研究與開發雖起步較遲，但發展很快。從1998年到2010年，中國天然彩色棉種植面積從每年1萬畝擴大到每年20多萬畝，皮棉產量從每年800噸增加到每年2萬多噸，10年間，彩棉種植面積和皮棉產量分別增長了20倍和25倍。

彩色棉主要有棕色和綠色兩大系列色彩，在彩色棉新品種選育方面，借助于常規育種技術，世界各國和我國一些育種單位紛紛開展研究并選育出一批彩色棉新品種，在一定程度上改善了彩色棉的品質和性狀。國內各研究單位選育出的彩色棉品種有：新彩棉系列品種（1號至20號）、中棉所51、浙彩棉2號、蘇彩雜1號等品種。在這些選育的品種中，主要是棕色棉系列品種在紡織、服裝工業上得到了一定程度的應用。與白棉花相比，彩色棉品種依然存在著以下突出問題：纖維比強度不高，纖維長度偏短、衣分偏低，色素穩定性差，色彩單一，從而限制了棕色棉在紡織工業中的應用。因此，創新彩色棉的纖維色澤并提高棕色棉的纖維強度、纖維長度是關系到我國紡織工業和彩色棉產業發展興衰成敗的兩個關鍵因素，也是廣大棉花育種科研工作者面臨的一個重要課題。

在自然界中，植物色素可分為光合色素（如葉綠素）和非光合色素（如類黃酮和類胡蘿卜素)。研究表明，天然彩色棉纖維色素屬于非光合色素，并且與棉纖維發育的特定時期有關。國內外學者通過對棕色棉纖維色素形成過程及生化特征本質的研究，初步認為存在以下2種推測：（1）Ryser、Xiao和詹等推測認為天然棕色棉纖維色素最初來源是位于液泡里的兒茶素衍化形成的原花色素（Proanthocyanidins），也稱為縮合單寧（Condensed?Tannins），并由縮合單寧接觸空氣氧化而形成具有棕色的醌類化合物；（2）趙等認為棕色棉纖維色素屬于類黃酮化合物。而且，Xiao和詹的實驗都證實棕色棉纖維色素的前體物質屬于原花色素（縮合單寧）。詹等對棕色棉、白棉纖維和種皮中分布的色素含量進行了分析，研究認為：決定纖維顏色的主要原因是色素在纖維和種皮之間的分配比例。棉纖維是由種皮細胞分化而來，棉纖維的形成過程與種皮細胞的發育關系密切。擬南芥、棉花同屬于雙子葉植物，了解擬南芥種皮色素的合成代謝及調控途徑對于揭示棉花種皮棕色素、棉纖維棕色素發育、纖維與色素的共沉積分子機理具有重要理論意義。

擬南芥種皮色素的合成代謝途徑受到多種基因的調控，屬于植物次生代謝。通過對擬南芥種皮Transparent?testa系列突變體的研究表明：苯丙氨酸（Phenylpropanoid）是形成縮合單寧的最初氨基酸，它在一系列酶的催化作用下，最終形成無色的縮合單寧，再經空氣氧化而呈現出種皮的棕色特征。其中，TT4編碼查爾酮合酶（CHS，chalcone?synthase），TT5編碼查爾酮異構酶(CHI，chalcone?isomerase)等作為結構基因編碼類黃酮代謝途徑中的酶，TT1，TT2，TTG1，TTG2，TT8等作為轉錄因子對結構基因的轉錄進行調控，TT12和TT19則編碼色素轉運蛋白參與類黃酮物質的轉運與積累。在棕色棉纖維色素發育的相關研究中，國內外學者采用不同的分子生物學手段，從棉花中克隆了多個與擬南芥種皮色素合成代謝途徑相關的同源基因，如GhCHS,GhCHI,GhF3H,GhDFR,GhANS,GhANR等，這些基因參與色素合成的蛋白質功能推測均基于同源序列分析及生物信息學的功能推測，究竟是否同時參與棉花種皮色素、纖維的色素合成代謝有待進一步證實。針對棉花棕色素研究中存在的上述重要理論課題，迫切需要以擬南芥種皮棕色素合成途徑相關基因為參照，在棉花中克隆相關同源基因，并通過分子生物學和轉基因技術加以功能驗證，以明確這些相關基因是否同時參與棉花纖維棕色素的合成。上述問題的研究證實，將為我們進一步開展棕色棉纖維色素合成代謝途徑的研究提供理論支持，并通過分子生物學手段改良棕色棉纖維品質、突破棉纖維色澤多樣性研究具有重要的理論和實踐意義。