[发明专利]棉纤维特异性HB转录因子基因KNAT7的鉴定及应用

说明书

技术领域：

本发明涉及棉花基因，具体是棉花homeobox(HB)家族中的一个新成员基因KNAT7的棉纤维细胞特异性表达及功能鉴定，进而应用于棉纤维品质改良。

背景技术：

棉花是我国最重要的经济作物之一，棉纤维广泛应用于纺织工业。随着纺织工业快速发展和人民生活水平不断提高，纺织工业及其相关产业对棉纤维品质的要求愈来愈高。我国棉花产量据世界第一位，但棉花纤维品质较差，不能用作一些高附加值高质量纺织产品的生产原料。因此，我国每年需进口优质棉花100多万吨，造成国产原棉积压，纤维品质问题已成为制约我国棉花产业可持续发展的主要障碍之一。

植物细胞的次生生长是植物的重要生命活动之一，一年或多年生的微管植物发生细胞壁次生加厚以满足不断地对水分和营养的运输，同时，提供更大的机械支持力，以满足植物生长发育之需求。在一些发生次生生长的植物中，按发育时期可将细胞壁分为初生壁和次生壁。初生壁是在细胞生长时形成的一层较薄的能随着细胞生长而扩展的细胞壁，而次生壁是细胞停止生长后在初生壁和质膜之间形成的具有木质素或其它次生代谢产物沉积的多层结构的细胞壁。

植物的次生生长是一个复杂的细胞分化发育过程，这一过程是由许多功能基因的协同表达来驱动的。研究表明，很多转录因子如同源异型盒(HB)、MYB、NAC、AP2/EREBP、MADS、WRKY以及锌指蛋白等都参与次生壁的生物合成。目前，从杨树、拟南芥分离了一些参与次生壁合成的HB家族的转录因子，这类转录因子参与非生物胁迫应答，影响植物的生长与形态建成。但是，有关这类转录因子调控植物细胞次生壁形成的分子机制仍有许多细节不太清楚。关于棉纤维次生壁加厚时期特异表达的KNAT7基因的分离鉴定，以及它们在棉纤维细胞生长和细胞壁形成中的作用，未见研究报道。

植物homeobox(HB)基因是近二十年来发现的编码一类特殊转录调控因子的超基因家族。该基因家族编码的转录因子有一个显著特征：含有由60个氨基酸组成的高度保守的结构域-同源异型域(homeodomain，HD)。这类转录因子首先在果蝇中发现，随后在其它动物、植物和真菌中相继发现了类似的同源异型盒蛋白。目前从植物中发现的大量HB基因在基因大小、编码蛋白结构等方面都存在差异。根据水稻和拟南芥这两类模式生物，可以将植物HB类转录因子分六类：具有亮氨酸拉链结构的HD-Zip、编码锌指结构域的PHD-finger、Bell、ZF-HD、WOX和KNOX。KNOX蛋白在螺旋1与螺旋2之间存在三个额外的氨基酸(P-YP)，这使得它的HD区包括63个氨基酸，属于非典型的同源异型盒蛋白。KNOX的结构与人类的MEIS(myeloid ecotropic viral integration site)最为相似，除HD外，它们都具有一个保守的N末端区域，因而这个区域在KNOX家族和MEIS家族发现之后被命名为MEINOX域。根据基因核苷酸序列的相似性、内含子的插入位点、编码蛋白同源结构域中氨基酸序列的相似性以及表达模式的不同，可将KNOX分为三个亚家族：I类KNOX亚家族和II类KNOX亚家族(以下分别简称KNOXI和KNOXII)，以及目前在拟南芥中又发现的第三类，命名为KNATM，这类亚家族基因编码的蛋白缺少HD结构域。目前对KNOXI研究较为深入，它们是一类维持分生组织功能的重要基因。KNOXII的表达较为广泛，参与植物发育。例如，研究表明AtKNAT1、AtKNAT3、AtKNAT4和AtKNAT5参与拟南芥根的发育，AtKNAT7受次生壁合成的关键调控因子SND1的调节，影响次生壁的加厚。

发明内容：

本发明的目的在于提供一个在棉纤维次生壁加厚时期优势表达的新基因KNAT7，分析其蛋白亚细胞定位、转录激活活性及其在酵母细胞中表达对宿主细胞形态的影响，以研究其功能，为解析纤维细胞次生壁加厚的分子机制，改良棉纤维的品质提供新的科学资料。

申请人采用比较基因组学和生物信息学等研究方法，利用申请人所构建了棉花纤维cDNA文库，分离鉴定了一个在纤维次生壁加厚时期优势表达的基因KNAT7。该基因不含内含子，其cDNA全长序列为1244bp，开放阅读框为903bp，编码一个含300个氨基酸的蛋白质，分子量为33.8kDa。

与已知的拟南芥KNOX蛋白序列相比较，棉花KNAT7与KNOXII的AtKNAT7蛋白的同源性较高，其序列相似性达到80％。棉花KNAT7蛋白具有KNOX蛋白的典型结构和保守序列，包含MEINOX结构域(由KNOX1和KNOX2两个亚结构域组成)、ELK结构域、GSE和HD结构域(见图1)。