全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(7): 1194−1201 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目 (30530490, 30370904, 30671258), 教育部新世纪优秀人才资助计划 (NCET-07-0712), 教育部博士点基金
(20040625010)项目资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 罗明, E-mail: luo0424@126.com; luomingyuan@swu.edu.cn
Received(收稿日期): 2008-11-21; Accepted(接受日期): 2009-03-23.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01194
棉花中一个钝叶醇 14α-脱甲基酶基因同源基因(GhCYP51G1)的克隆、
序列特征和表达分析
谭琨岭 胡明瑜 李先碧 覃 珊 李德谋 罗小英 赵 娟 臧振乐
李宝利 裴 炎 罗 明*
西南大学生物技术中心 / 农业部生物技术与作物品质改良重点开放实验室, 重庆 400716
摘 要: 为研究植物固醇在棉花纤维细胞生长发育中的作用和信号传导机制, 通过筛选棉花 EST 数据库并对目标
EST 序列进行整合和分析, 从陆地棉栽培品种徐州 142正在发育的纤维中克隆了植物固醇合成途径的重要酶基因——
钝叶醇 14α-脱甲基酶基因的同源基因, 命名为 GhCYP51G1 (GenBank登录号为 EU727154)。该基因编码 486个氨基
酸残基, 其分子量和等电点分别为 55.2 kD和 8.87。推导的氨基酸序列与烟草、马铃薯和葡萄等物种中 CYP51家族
成员有较高的同源性。而且具有钝叶醇 14α-脱甲基酶序列中的典型保守结构域, 如多个底物结合位点和血红素结合
域。说明该克隆基因是钝叶醇 14α-脱甲基酶基因的同源基因。实时定量 RT-PCR 的结果表明 GhCYP51G1 基因在快
速伸长期的纤维中具有较高的表达水平, 而在子叶、雌蕊和雄蕊以及开花后 6 d胚珠、开花后 0 d和 2 d的胚珠纤维
中表达水平较低。在开花后 8 d的纤维细胞中 GhCYP51G1的表达水平最高, 这些结果说明该基因在纤维细胞的伸长
生长中具有重要作用。同时在纤维生长过程中, 由于生长素能够下调 GhCYP51G1基因的表达, 暗示植物固醇在植物
激素, 特别是油菜素类固醇物质和生长素的相互作用中具有一定作用。
关键词: 棉花纤维; 植物固醇; 钝叶醇 14α-脱甲基酶; GhCYP51G1; 油菜素类固醇
Molecular Identification and Expression Analysis of GhCYP51G1 Gene, a
Homologue of Obtusifoliol-14α-demethylase Gene, from Upland Cotton
(Gossypium hirsutum L.)
TAN Kun-Ling, HU Ming-Yu, LI Xian-Bi, QIN Shan, LI De-Mou, LUO Xiao-Ying, ZHAO Juan, ZANG
Zhen-Le, LI Bao-Li, PEI Yan, and LUO Ming*
Key Laboratory of Biotechnology and Crop Quality Improvement, Ministry of Agriculture / Biotechnology Research Center, Southwest University,
Chongqing 400716, China
Abstract: Besides as a precursor of BL biosynthesis, more and more evidences support the hypothesis that phytosterols possess a
BL-independent signaling pathway. Furthermore, the obtusifoliol is regarded as a signal molecule in sterol signaling. To
understand the effects of phytosterols on the development of cotton (Gossypium hirsutum L.) fibers and the molecular basic of
sterol signaling in cotton fiber growth, we cloned a gene encoding a homologue of obtusifoliol 14α-demethylase from developing
fibers of upland cotton cv. Xuzhou 142 through screening cotton fiber EST (Express Sequence Tag) database and contigging the
candidate ESTs. The full length of GhCYP51G1 (GenBank accession No. EU727154) was 1 710 bp, including a 160 bp
5-untranslated region (UTR), a 1 461 bp open reading frame (ORF), and an 89 bp 3-UTR. The GhCYP51G1 encoded a
polypeptide of 486 amino acid residues with a predicted molecular mass of 55.2 kD. The deduced amino acid sequences had high
homology with the members of CYP51 family in plant kingdom. Moreover, many typical conserved regions were characterized as
the obtusifoliol 14α-demethylase, such as substrate recognition sites (SRS) and heme-binding region presented in the deduced
protein. Quantitative real-time RT-PCR analysis revealed that the higher expression levels of GhCYP51G1 gene were detected in
8-DPA, 12-DPA, 18-DPA fibers, and 12-DPA ovules. These results indicate that GhCYP15G1 gene plays an important role in
fiber elongation. Furthermore, Auxin significantly down regulates the expression level of GhCYP51G1 in cotton fiber growth.
第 7期 谭琨岭等: 棉花中一个钝叶醇 14α-脱甲基酶基因同源基因(GhCYP51G1)的克隆、序列特征和表达分析 1195

This suggested that phytosterols play a role in the interaction of plant hormones, especially brassinosteroids and auxin.

Keywords: Cotton fiber; Phytosterols; Obtusifoliol 14α-demethylase; GhCYP51G1; Brassinosteroids
棉花纤维是棉花的主要产品, 由棉花胚珠外表
皮细胞经极性伸长而成。纤维细胞的发育过程分为
4 个既明显区分又有所重叠的时期: 纤维细胞的分
化和起始期、纤维细胞的伸长期、纤维细胞次生壁
沉积期和脱水成熟期。陆地棉成熟纤维细胞一般长
20~30 mm, 长的可达 35~40 mm, 厚度最终可达到
15 µm, 其长径比达 1 000~3 000倍[1-2]。纤维细胞不
仅有着极度伸长的细胞形态, 而且具有特殊的细胞
壁组成, 细胞壁中纤维素的含量可达 95%[3]。这些特
点使得纤维细胞成为研究植物细胞伸长, 纤维素合
成和细胞壁沉积的理想材料[3]。但纤维细胞生长发
育的分子机理还知之甚少。
近年来 , 一些研究表明油菜素内酯类物质
(brassinosteroids, BRs)在棉花纤维细胞的生长发育
过程中起着重要的作用 [4-8]。外施油菜素内酯
(brassinolide, BL; 生物活性最高的BRs)能显著增加
野生型棉花和Ligon突变体棉花(无长绒突变体)纤维
细胞的长度和数量 [4]。相反 , 用BRs合成抑制剂
Brassinazole2001 (Brz)处理离体培养的棉花胚珠及
田间生长的棉花花蕾能抑制纤维细胞的起始和伸长
[5-7]。同时不少研究结果表明, 一些BRs生物合成基
因和信号传导基因如GhDET2、GhDWF1、GhSMT1、
GhSMT2、GhBRI1和GhBIN2在纤维的起始或者伸长
期高量表达[5-10]。这些结果说明BRs是调控纤维细胞
生长发育的重要植物激素。
在植物中BRs的生物合成途径十分复杂 , 主要
分为植物固醇特异合成途径(上游途径)和BL特异合
成途径(下游途径)。该合成途径上的终产物和中间产
物表现出不同的生物活性和生理作用, 其中植物固
醇是一类重要的中间产物, 它不仅是BL的合成前体
物, 而且是植物细胞膜的重要组成成分。近年来, 越
来越多的证据表明, 植物固醇在植物的生长发育过
程中具有不依赖BL的独立作用[11-12]。首先, 在植物
固醇特异合成途径上, 甾醇 4-甲基-24-亚甲基胆甾
-7-烯醇(24-methylenelophenol)的上游的合成酶突变
体不能被最终产物BL所回复[11-12]。其次, 上游的突
变体表现出胚和种子发育不正常, 而那些下游突变
体并没有这个表型[13-14]。与下游BL特异合成途径的
相关突变体不同, 固醇合成被扰乱之后, 植物纤维
素的含量明显下降。相对于野生型, fk的纤维素含量
下降了 50%, hyd1和smt1/cph中纤维素的含量分别下
降到 60%和 70%。一些固醇抑制剂如 15- azasterol
和fenpropimorph也能导致纤维素含量的明显降低 ,
降低的水平可达 60%, 这个结果和甾醇合成突变体
中所观察的一致[15]。同时谷固醇被证明是纤维素合
成的引物, 这为阐明植物固醇在纤维素合成中的作
用提供了直接证据[16]。所有这些结果都表明植物固
醇在植物的发育过程中有着重要的作用, 特别是在
细胞伸长、细胞壁形成和纤维素合成过程中具有重
要作用[15]。因此有研究者认为, 植物固醇在植物生
长发育中具有不依赖BL的、独立的信号传导途径,
并且认为钝叶醇(obtusifoliol)是这个信号传导途径
中的信号分子[17]。
钝叶醇 14α-脱甲基酶是细胞色素P450家族的成
员, 其催化obtusifoliol氧化去甲基, 这个氧化步骤被
认为是一个植物固醇合成的关键步骤[17]。因此, 为
研究植物固醇对纤维发育的影响, 我们从陆地棉中
克隆得到了植物固醇合成酶钝叶醇 14α-脱甲基酶基
因的同源基因(GhCYP51G1), 分析克隆基因的序列
特征和在陆地棉基因组中的结构特征, 确定该基因
在纤维细胞不同生长发育时期的表达模式, 以期了
解这个基因对棉花纤维发育的作用, 为研究植物固
醇对纤维发育的影响提供科学证据。
1 材料与方法
1.1 植物材料和生长条件
Gossypium hirsutum cv. Xuzhou 142由中国农业
科学院棉花研究所提供 , 棉花种植在棉花实验地 ,
进行常规田间管理。
1.2 提取棉花基因组 DNA及总 RNA
采用本实验室改良的CTAB法 [18]从棉花的幼嫩
叶片提取基因组DNA。植物的总RNA从不同的棉花
器官和组织中提取。棉花种子播种于珍珠岩上, 生
长 7 d后, 分别取根、上胚轴和下胚轴提取其中的总
RNA; 从成熟的棉花植株中收集叶片、不同发育阶
段的胚珠和纤维, 提取其中的总RNA, 总RNA的纯
化方法参照罗明等[19]报道的棉花总RNA提取法。
1.3 GhCYP51G1基因的克隆
按照已有方法[10]搜寻棉花相关的ESTs序列, 通
过tBlastn共选出 13 条CYP51G1 (GenBank登录号为
CO490791, DT573371, DW485840, DT568644,
DT558692, DT563213, DT574647, DT564309,
1196 作 物 学 报 第 35卷

CO496840, DW008820, CO495107, DW501678,
CO491140)。这些 EST 片段的整合序列包含有一个
开放阅读框 (ORF), 其氨基酸序列和其他物种的
CYP51G1 蛋白具有高度的同源性。根据 ORF 设计
两个特异引物 (G1P1: 5′-GGGACGAGATCATTGCT
CAA-3′和 G1P2: 5′-CCCGAAGTTGACAACAGAA
C-3′)。以开花后 10 d的胚珠和纤维 cDNA为模板进
行 PCR 扩增, 条件为: 预变性 94 , 5℃ min; 10 个
touchdown的PCR程序: 94 30 s, 60 45 s (℃ ℃ 每个循环
下降 0.5 ), 72 2 min; 30℃ ℃ 个常规 PCR程序: 94 30 ℃
s, 53 30 s, 72 2 min; ℃ ℃ 最后 72 10 min, ℃ 使用的
酶为 Ex Taqase (TaKaRa, Dalian, China)。为了得到
GhCYP51G1的基因组 DNA 序列, 使用同样的引物,
用基因组 DNA作为模板进行扩增, PCR的条件除了
在每个循环中将延伸时间增加到 3 min 之外, 其他
的条件不变, 扩增的产物连入 pGEm-T载体中, 测序。
1.4 实时定量 RT-PCR分析
用实时定量 RT-PCR 分析来源于不同器官和组
织的 cDNA, 检测 GhCYP51G1基因在不同器官和组
织中的相对表达水平。用棉花 Histone3基因作内标,
其 5′-特异引物是 5′-GAAGCCTCATCGATACCG
TC-3′ (HISP1), 3′-特异引物为 5′-CTACCACTACCA
TCATGGC-3′ (HISP2)。GhCYP51G1基因的 5′-特异
引物是 5′-AATCAGACCTCAGCCAACAG-3′ (G1P4),
3′-特异引物为 5′-AGAGCGCAGCAATCAGTAAG-3′
(G1P5)。扩增系统的操作均按试剂盒说明书进行
(BIO-RAD IQ SYBR Green Supermixture), 温度循环
参数为: 50 , 1℃ min; 94 , 3℃ min预变性; 94 , 30℃ s;
56 , 30℃ s; 72 , 45℃ s; 30个循环。
1.5 离体培养的棉花胚珠纤维中 GhCYP51G1 基
因对植物激素的反应
胚珠培养参照Beasley和Ting[20-21]的方法, 取开
花后 2 d的子房, 用含有 0.05% Tween 80 的 0.10%
(W/V)的升汞灭菌 12 min后, 用无菌水冲洗 3遍, 然
后在超净工作台上小心剥离胚珠, 让其漂浮在配好
的BT培养基上。BT培养基中分别含有 100 nmol L−1
24-表油菜素内酯、0.5 µmol L−1 GA或者 5.0 µmol L−1
IAA。处理 12 h后, 分别用CTAB法提取各个处理的总
RNAs, 并且反转录成cDNA, 用于做下一步分析。
2 结果与分析
2.1 与拟南芥 CYP51G1同源的棉花 EST序列的
筛选和整合
经过筛选棉花 EST数据库, 共找到 13条和拟南
芥CYP51G1具有高度同源性的 ESTs序列。这些 EST
序列经过整合分析得到一条长 1 780 bp的共有序列。
将该整合序列送入 GenBank 数据库 (http://www.
ncbi.nlm.nih.gov/blast)中进行比对 , 结果表明该序
列包含一个长 1 461 bp 的开放阅读框(范围在 192~
1 652 bp), 由此推导的氨基酸序列与其他的 CYP51G1
具有高度的同源性, 将其命名为 GhCYP51G1。
2.2 棉花 CYP51G1 同源基因(GhCYP51G1)的克
隆和测序
为从栽培品种 Xuzhou 142 中获得 GhCYP51G1
的序列, 通过共有序列的分析在开放阅读框两侧翼
设计了一对特异引物(G1P1和 G1P2)。以开花后 10 d
的胚珠和纤维 cDNA 为模板扩增 GhCYP51G1 序列
并进行测序, 结果表明, 这个扩增得到的片段全长
1 710 bp, 包括一个 1 461 bp长的开放阅读框(ORF),
开始于第 161个碱基, 结束在 1 621个碱基。该 ORF
编码 486个氨基酸, 其分子量为 55.2 kD, 等电点为
8.87(图 1)(GenBank登录号为 EU727154)。
2.3 GhCYP51G1在陆地棉基因组中的组成
为研究 GhCYP51G1 基因的基因组序列 , 以
G1P1和G1P2为引物, 以棉花基因组DNA为模板进
行 PCR扩增, 得到一条长 2 986 bp的扩增带。序列
分析表明, 其中包括 3个外显子和 2个内含子, 3个
外显子 E-1 到 E-3 分别位于 1~137、505~989 和
1 900~2 986 bp处, 2个内含子 I-1和 I-2分别位于
138~504 和 990~1 899 bp 处, 且内含子 1 (I1)位于
5′-UTR(图 2)。
2.4 GhCYP51G1的同源性分析
为了分析 GhCYP51G1与不同物种的 CYP51G1
之间的同源性以及它们之间的进化关系 , 将各
CYP51G1氨基酸序列与 GhCYP51G1 进行对比。我
们看到 GhCYP51G1 与矮牵牛(GenBank 登录号为
CAL69911)之间相同氨基酸达 86%, 相似氨基酸达
95%; 与葡萄(GenBank 登录号为 CAO68706)中的
CYP51G1具有 87%相同的氨基酸和 94%相似的氨基
酸 ; GhCYP51G1 与马铃薯 (GenBank 登录号为
AAT12274)的 CYP51G1之间具有 86%相同的氨基酸
和 94%相似的氨基酸; 与烟草(GenBank 登录号为
AAL54888)的CYP51G1之间具有 86%相同的氨基酸
和 95%相似的氨基酸; 与拟南芥(GenBank登录号为
BAB61873)的CYP51G1之间具有 83%相同的氨基酸
和 92%相似的氨基酸; 与高粱(GenBank 登录号为
AAO16695)的 CYP51G1 之间具有 75%相同的氨基
第 7期 谭琨岭等: 棉花中一个钝叶醇 14α-脱甲基酶基因同源基因(GhCYP51G1)的克隆、序列特征和表达分析 1197



图 1 棉花 GhCYP51G1基因和其他 CYP51G1基因的氨基酸序列的同源性比较
Fig. 1 Alignment of proteins between the deduced amino acid sequence of GhCYP51G1 and other CYP51G1 proteins
AAL54888 (Nicotiana tabacum)为烟草的钝叶醇 14α-脱甲基酶, AAO16695 (Sorghum bicolor)为高粱的钝叶醇 14α-脱甲基酶, AAT12274
(Solanum chacoense)为马铃薯的钝叶醇 14α-脱甲基酶, ABC59074 (Medicago truncatula)为苜蓿的钝叶醇 14α-脱甲基酶, ABC68412
(Glycine max)为大豆的钝叶醇 14α-脱甲基酶, CAL69911 (Petunia hybrida)为矮牵牛的钝叶醇 14α-脱甲基酶, CAO68706 (Vitis vinifera)
为葡萄的钝叶醇 14α-脱甲基酶, EAY81125 (Oryza sativa)为水稻的钝叶醇 14α-脱甲基酶, BAB61873 (Arabidopsis thaliana)为拟南芥的钝
叶醇 14α-脱甲基酶, U74319 (Sorghum bicolor, reported by Gotoh)为甜高粱的钝叶醇 14α-脱甲基酶, EU727154 (Gossypium hirsuturm)为
陆地棉的钝叶醇 14α-脱甲基酶。CR-1 到 CR-6 为保守区域(作为识别位点, SRS), 高度保守的亚铁血红素结合的半胱氨酸区域用黑色
三角形表示。
The various CYP51G1 proteins involved in the alignment derived from different species. AAL54888 (Nicotiana tabacum), AAO16695
(Sorghum bicolor), AAT12274 (Solanum chacoense), ABC59074 (Medicago truncatula), ABC68412 (Glycine max), CAL69911 (Petunia
hybrida), CAO68706 (Vitis vinifera), EAY81125 (Oryza sativa), BAB61873 (Arabidopsis thaliana), U74319 (Sorghum bicolor, reported by
Gotoh), EU727154 (Gossypium hirsutum). CR-1 to CR-6: conserved region (as substrate recognition sites, SRS). The highly conserved
cysteine in the heme-binding domain is marked by a black triangle.


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图 2 GhCYP51G1基因的基因组结构
Fig. 2 Genome organization of GhCYP51G1
按照以 GT-AG为内含子边界的原则, 通过所得的 GhCYP51G1
的基因组序列与 cDNA进行对比和扣除, 得到 GhCYP51G1基因
组序列中的内含子、外显子和非翻译区域。黑色方框显示内含子,
白色的方框显示外显子。ATG为起始密码子, TAG为终止密码子。
Comparison of the cDNA with genomic DNA of GhCYP51G1
according to the GT-AG principle. The black boxes depict introns.
The open boxes represent extrons. ATG was the translation start
code and TAG was the terminal code in the GhCYP51G1 sequence.

酸和 88%相似的氨基酸。这些结果说明 GhCYP51G1
和来源于其他物种的 CYP51G1具有很高的同源性，
例如葡萄和烟草。系统进化分析的结果表明所有的
蛋白被分为两组，一组是双子叶植物另一组是单子
叶植物。GhCYP51G1位于双子叶植物组(图 3)。
分析植物CYP51G1 的蛋白序列发现一些保守区
域[22], CYP51家族共有 6个重要的保守序列, 其中有
5 个为底物结合位点(SRS), 余下的一个为亚铁血红
素结合区域(SRS6)。从棉花中克隆得到的GhCYP51G1
中, 具有5个SRS (CR-1到CR-5)和亚铁血红素结合区
域(CR-6)(图 1)。其中两个保守区域, SRS2(定位于
CR-2)和SRS4(定位于CR-4)是其中最为保守的区域并
且作为CYP51 家族的标志存在[23]。GhCYP51G1 的
CR-2 对应于真核生物的SRS2 (YxxF/ LxxPxFGxx
VxF/YD/a) 其 序 列 为 VYQFNVPTFGPGVVFDV,
GhCYP51G1 的CR-4 对应于SRS4 (GQ/hHT/sS)其序
列为LFAGQHTSSI。这些结果揭示了GhCYP51G1 是
CYP51G1的同源基因。
2.5 GhCYP51G1在棉花中的表达模式
为了研究 GhCYP51G1 在棉花生长和发育中的
作用,特别是在纤维生长发育中的作用, 我们用实时
定量RT-PCR检测了GhCYP51G1基因在不同器官和
不同纤维发育阶段的表达情况。



图 3 GhCYP51G1与其他物种的 CYP51G1的系统进化树分析
Fig. 3 The phylogenetic tree for CYP51G1 proteins from various species



图 4 GhCYP51G1基因在棉花植株不同器官和组织中的表达特征
Fig. 4 Expression level of GhCYP51G1 genes in different tissues and organs of cotton plants and at various
developmental stages of fibers
提取棉花 Xuzhou 142不同器官和组织的总 RNA进行 Quantitative real-time分析。以棉花 Histone3基因为内标, 计算 GhCYP51G1基
因的 RNA与 GhHIS3 RNA丰度的相对含量。Root: 根; Hypocotyl: 下胚轴; Cotyledon: 子叶; Pistil: 雌蕊; Stamen: 雄蕊; FO-0-DPA:
0-DPA胚珠(含纤维); FO-2DPA: 2-DPA胚珠(含纤维); F-6DPA~F-23DPA: 6-DPA到 23-DPA纤维; O-6DPA~O-18DPA: 6-DPA到 18-DPA
胚珠。误差棒表示 4次重复的标准差。
FO-0DPA: the 0-DPA ovules (with fibers) of Xuzhou 142; FO-2DPA: the 2-DPA ovules (with fibers) of Xuzhou 142; F-6DPA to F-23DPA:
6-DPA fibers to 18-DPA fibers from Xuzhou 142; OV-6DPA to OV-22DPA: 6-DPA ovules to 18-DPA ovules (without fibers) from Xuzhou 142.
Cotton HISTONE3 was used as a loading control to normalize samples. Error bars represent SD for the 4 independent experiments.
第 7期 谭琨岭等: 棉花中一个钝叶醇 14α-脱甲基酶基因同源基因(GhCYP51G1)的克隆、序列特征和表达分析 1199

提取徐州 142 棉花幼苗的根、下胚轴、子叶以
及成熟植物的叶、纤维和胚珠中的总 RNA。以此为
模板合成不同器官和组织的 cDNA 一链, 进而作为
PCR 扩增的模板。结果如图 4 所示, 在所有样品中
都能检测到 GhCYP51G1 基因的表达, 但不同样品
中的表达量有明显差异。GhCYP51G1基因在子叶、
雄蕊、雌蕊、0-DPA (day post anthesis)和 2-DPA的
胚珠(纤维)以及 6-DPA的胚珠中表达量极少; 在根、
子叶、4-DPA 的胚珠 (纤维 )、23-DPA 的纤维和
8-DPA、10-DPA、18-DPA、22-DPA胚珠中表达量较
少且相似。在胚珠发育的各个阶段, GhCYP51G1基因
在 0-DPA、2-DPA (包括纤维)和 6-DPA (不包括纤维)
表达量极少, 然而在 12-DPA (不包括纤维)其表达水
平达到最高峰。在纤维发育的不同时期, GhCYP51G1
基因的表达水平从第 6天开始增加, 第 10天达到最
高峰。此后 , 其表达水平在 12-DPA、18-DPA 和
23-DPA 开始逐渐的降低。在第 10 天, GhCYP51G1
基因在纤维中的表达水平是胚珠中的 7.5 倍, 在纤
维和胚珠发育的各个时期, GhCYP51G1基因在纤维
中的表达量比在胚珠中的表达量的 3 倍还多 ,
GhCYP51G1 基因在处于伸长状态的细胞中的表达
水平较高, 特别是在快速伸长期的纤维细胞中高水
平的表达, 表明 GhCYP51G1 基因在纤维伸长中起着
重要的作用。相反, GhCYP51G1基因在 0-DPA (纤维
细胞起始阶段)和 23-DPA (次生壁沉积阶段)表达量
较少, 暗示 GhCYP51G1 基因在纤维细胞起始和次
生壁形成阶段的作用较小。
为了研究 GhCYP51G1 对不同激素的应答, 分
别用赤霉素(GA)、24-表油菜素内酯(24-EBL)和生长
素(IAA)处理开花后 2 d 的胚珠(带有纤维), 并且通
过实时定量 RT-PCR确定GhCYP51G1基因的表达水
平, 结果如图 5 所示, 在 GA 和 BL 处理的条件下,
GhCYP51G1的表达有微弱的上升, 而在 IAA的处理
的条件下 , GhCYP51G1 基因的表达水平降低了
51%。这个结果表明 IAA 在调控 GhCYP51G1 的表
达方面具有一定作用。该基因为了解 BRs与 IAA的
相互关系提供了一条线索。
3 讨论
GhCYP51G1 在纤维细胞的快速伸长期高量表
达, 其表达变化模式与其他植物固醇合成酶基因的
表达模式相似 [8-10] , 说明纤维细胞的快速伸长需要
植物固醇的大量合成。一方面它作为植物激素BL的
合成前体, 随着BL在细胞快速伸长期中需要量的增
加而增加 ; 另一方面作为纤维细胞膜的结构成分 ,
随细胞膜面积的快速扩张而需要量增加, 由此推测,
植物固醇在纤维伸长中具有重要作用。任何一种植
物激素在调控植物生长发育方面都与其他的植物激
素有着复杂的相互作用和密切的相互关系。



图 5 不同激素对 GhCYP51G1基因表达水平的影响
Fig. 5 Expression level of GhCYP51G1 variety under the
phytohormone treatment
取开花后 2 d的胚珠在加入不同激素的培养基中进行离体培养 12
h, 提取总 RNAs, 并且反转录成 cDNA进行 Quantitative real-time
分析。以棉花 Histone3基因为内标, 计算 GhCYP51G1基因的 RNA
与 GhHIS3 RNA丰度的相对含量。误差棒表示 6次重复的标准差。
GA: 赤霉素; BL: 24-表油菜素内酯; IAA: 吲哚-3-乙酸。
2-DPA ovules (with fibers) were exposed to in vitro culture media
supplement with different phytohormones for 12 h. Total RNAs of
samples were extracted and reversed to synthesize the cDNA. Gene
GhHIS3 was used as a standard for detecting the relative expression
of GhCYP51G1 by means of quantitative real-time PCR. Values are
means (±SE) of six independent assays. GA: gibberellin; BL:
24-epibrassinolide; IAA: indole-3-acetic acid.

为了探索植物固醇在纤维发育中调控或被调控
的关系, 本文中研究了几种植物激素对GhCYP51G1
表达水平的影响 , 结果显示 , 生长素明显下调
GhCYP51G1 的表达量, 这为揭示BRs和生长素的相
互关系提供了一条线索。BRs和生长素对植物的生长
和发育具有很多相似的作用, 包括对细胞分化和伸
长、维管组织的分化、根的生长以及植物的衰老的
作用等[24], 这些相似的生理效应可能通过他们的相
互的作用来调控, 但是它们相互作用的分子机制还
不清楚。Nakamura等 [25]报道生长素 /吲哚 -3-乙酸
(Aux/IAA)相关蛋白在特定器官参与了BRs反应 ,
iaa7/axr2-1和iaa17/axr3-3突变体表现出对BRs超敏
感的特点 , 且BR-诱导的基因表现出器官特异性 ;
Bao等 [26]报道BRs与生长素一起通过促进生长素的
向顶的极性运输, 表现出促进侧根形成的生理效应;
与此同时, 一些BRs缺乏的突变体如fk对生长素极度
的敏感[27]。GhCYP51G1和植物固醇是否参与了这些
复杂的关系还有待进一步研究。前人研究表明, 生

1200 作 物 学 报 第 35卷

长素在开花当天和开花后 2 d的胚珠(带有纤维)中扮
演着重要的角色, 胚珠中的生长素的含量在开花当
天的时候很高[20-21]。GhCYP51G1在开花当天和开花
后 2 d低水平表达可能是由高水平内源生长素含量
调控引起的, 对其调控机制的深入研究将有利于阐
明纤 维细胞生长发育过程中植物激素间相互作用
的分子机理。
4 结论
通过棉花ESTs的筛选和整合, 从棉花纤维中克
隆了植物固醇合成途径的重要基因——钝叶醇 14α-
脱甲基酶基因的同源基因, 将其命名为 GhCYP51G1
(GenBank登录号为 EU727154)。该基因的氨基酸序
列与烟草、牵牛、马铃薯和葡萄等物种中的 CYP51
家族成员有较高的同源性, 且具有钝叶醇 14α-脱甲
基酶序列的典型的保守结构域, 说明克隆基因是钝
叶醇 14α-脱甲基酶基因的同源基因。GhCYP51G1基
因在快速伸长期的纤维中具有较高的表达水平, 而
在子叶、雌蕊和雄蕊以及纤维起始期的胚珠纤维中
表达水平较低, 说明该基因在纤维细胞的伸长生长
中具有重要作用。同时在纤维生长过程中, 由于生
长素能够下调 GhCYP51G1 基因的表达, 暗示植物
固醇在植物激素, 特别是油菜素类固醇物质和生长
素的相互作用中具有重要作用。
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