[发明专利]棉花磷脂酰肌醇4-激酶基因、其编码蛋白及应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术(工程)领域，具体地说，涉及棉花磷脂酰肌醇4-激酶基因、其编码蛋白以及利用该基因改良棉花品种的方法。

背景技术

棉花是最重要的天然纤维作物，纤维品质是棉纤维的重要性状指标，而棉纤维品质由纤维发育所决定的。棉纤维由胚珠外珠被表皮层分化的单细胞发育而来，其发育依次经过四个相互重叠的阶段：纤维原始细胞分化突起、纤维细胞伸长(初生壁形成期)、次生壁加厚、脱水成熟。初生壁和次生壁的发育对棉纤维品质形成至关重要，因此分离和鉴定控制纤维伸长和次生壁发育的基因是了解纤维细胞发育的分子调控机制的基础，也是进行纤维品质分子改良的前提。

磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol，PI)是真核细胞中主要的磷脂组分，分布于细胞膜的磷脂双分子层内侧，约占细胞磷脂总量的10％。PI可以经过磷脂酰肌醇4-激酶(Phosphatidylinositol 4-kinase，PI4K)的催化生成磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP)，而后经历一系列的反应途径，生成细胞内重要的双信使分子三磷酸肌醇(Trisphosphateinositol，IP3)和二酯酰甘油(Diaeylglyeerol，DAG)，从而将胞外信号变为胞内信号。有研究表明，这一信号途径在包括花粉管和根毛的极性伸长、细胞的极性膨胀过程和细胞壁合成等多种发育过程中起着重要的信号传递和调节作用。例如在棉纤维的发育中，与次生壁的发育有关的PI信号途径的调节则控制细胞骨架的形成，或者通过调节质膜上纤维素复合体的作用而控制纤维素沉积的方向。可见棉纤维细胞壁的发育可能受到PI信号途径的调节从而影响纤维品质的形成。磷脂酰肌醇4-激酶(Phosphatidylinositol 4-kinase，PI4K)作为这一系列代谢路径中的关键环节，其对于PI信号途径的调控作用可能通过影响细胞壁的发育而影响纤维品质。

关于磷脂酰肌醇4-激酶参与调节棉纤维发育更为重要的证据，在于我们探测到棉纤维的次生壁加厚期，在两个纤维品质差异较大的陆地棉“中棉所8号(CRI 8)”和海岛棉“Pima 90-53”之间，磷脂酰肌醇4-激酶基因具有转录多态性，其转录组标记TDF与纤维强力QTL表现共分离，说明GbPI4K基因是控制海岛棉和陆地棉间棉纤维强力差异的重要候选基因；进一步研究发现，转化反义磷脂酰肌醇4-激酶基因的拟南芥植株细胞壁发育受到影响，而且茎秆断裂强度显著降低。

综合以上分析认为，磷脂酰肌醇4-激酶基因对于了解棉纤维品质形成的内在机制有重要意义，在棉纤维品质改良中具有重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一个与棉纤维发育有关的磷脂酰肌醇4-激酶基因(GbPI4K)及其编码蛋白。

本发明的另一目的是提供利用GbPI4K基因改良棉花品种的方法。

为了实现本发明目的，本发明提供棉花磷脂酰肌醇4-激酶基因的编码蛋白，其为：1)由SEQ ID No.2所示的氨基酸序列构成的蛋白；或2)SEQ ID No.2所示氨基酸序列经取代、缺失和/或添加一个或几个氨基酸且同等功能的由1)衍生的蛋白。例如，将第178位的Arg取代为Gln，或是将第267位的Lys缺失，或是在183位增加His，均不会影响蛋白的功能。

编码前述蛋白的基因，其具有SEQ ID No.1所示的核苷酸序列(2817bp)，其编码框(ORF)为自5’端第547位至第2472位，编码具有SEQ ID NO.2所示氨基酸序列的蛋白质。

含有上述序列的基因工程载体、转基因细胞系和宿主菌、扩增其任意片段的引物以及其反义序列也属于本发明的保护范围。

本发明提供的棉花品种的改良方法，是指利用转基因技术，将本发明的棉纤维发育相关基因GbPI4K或该基因的部分片段导入棉花细胞或组织，导致该基因的表达特性发生改变(例如在棉株开花16天以后，检测到棉纤维中该基因的表达量增加)，从而获得棉纤维性状得到改良的转基因细胞或组织。

本发明首次公开了棉花磷脂酰肌醇4-激酶基因(GbPI4K)、其编码蛋白以及利用该基因改良棉花品种的方法。由于磷脂酰肌醇4-激酶(PI4K)是催化磷脂酰肌醇生成细胞内重要的双信使分子三磷酸肌醇和二酯酰甘油的一个关键酶，通过转录组QTL定位，发现GbPI4K基因是控制海岛棉和陆地棉间棉纤维强力差异的重要候选基因。

将反义的GbPI4K基因转入Columbia型拟南芥，转基因的拟南芥茎秆机械组织细胞壁发育受到显著影响，根的伸长和茎秆强度降低。