陆地棉杜松烯合酶基因GhCDN10的特征及其在棉酚合成中功能分析

　　

摘要：

棉酚是储存在棉花色素腺体的萜烯类化合物，其合成与杜松烯合酶(cadinene synthase, CDNs)密切相关。棉籽含有大量棉酚，由于棉酚有毒，限制了人类对棉籽的充分利用，研究棉酚合成相关基因，为创制“棉花植株高棉酚种子低棉酚”材料提供基因资源，对多用途棉花新品种的培育具有十分重要的意义。本研究从陆地棉杜松烯合酶基因家族的转录组数据中筛选出GhCDN10基因，对其进行克隆与序列分析；基于自然群体的基因组重测序数据对该基因进行序列多样性、连锁不平衡(LD)和单核苷酸多态性(SNP)效应及单倍型分析，结合‘棉酚有无’的表型进行关联分析；通过qRT-PCR和转录组RNA-Seq对其进行表达模式分析；通过病毒介导的基因沉默(VIGS)进行功能分析，并进行亚细胞定位。结果表明，GhCDN10由7个外显子组成，上下游的基因间区(IRs)共包含63种类型的顺式作用元件，共533个。重测序数据显示，GhCDN10的SNP频率为7.22 SNPs kb^?1，核苷酸多样性π值为0.22595，LD衰减距离为100 kb左右，DNA区段有19个SNP位点，构成9个单倍型；关联分析显示，GhCDN10的19个SNP位点与‘棉酚有无’无显著关联；聚类分析基本能有效地将无酚棉资源和有酚棉资源分开。GhCDN10蛋白含有PF01397和PF03936两个保守结构域，及杜松烯合酶特有的DDTYD、DDVAE等序列模体；亚细胞定位显示该基因产物位于细胞膜和细胞核中；17个物种的同源基因在基因结构、motif组成上存在细微的差异。RNA-Seq数据表明，GhCDN10在有腺体棉中的表达量显著高于无腺体棉，在根中表达量较高，而在花和纤维中表达量很低或不表达。VIGS沉默后GhCDN10的表达量显著降低，仅为对照组的21.3%；通过体视显微镜观察计数叶片中的腺体数量和利用高效液相色谱法(HPLC)测定叶片中棉酚的含量发现，沉默植株的腺体数量和棉酚含量显著低于对照组。本研究结果为进一步剖析棉酚合成途径提供了新见解，也为通过基因工程创制低棉酚材料提供了基因资源。