全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(7): 1217−1228 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重点项目(30730067)，国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA10Z111)，教育部 111项目(B08025)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 郭旺珍, E-mail: moelab@njau.edu.cn
Received(收稿日期): 2008-10-10; Accepted(接受日期): 2009-03-20.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01217
棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析
琚 铭 王海棠 王立科 李飞飞 吴慎杰 朱华玉 张天真 郭旺珍*
南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室, 江苏南京 210095
摘 要: 以 14个纤维品质差异的棉花品种(或品系)为材料, 研究 10个纤维发育相关基因时空表达变化与纤维品质的
关系, 为阐明棉纤维发育相关基因与纤维品质形成关系提供理论基础。利用实时荧光定量 PCR 技术检测 10 个基因
在 14 个供试品种(或品系)不同纤维发育时期的相对表达量, 结果表明, 虽然遗传背景完全不同, 但它们具有某些共
同表达特征。GhExp1、GhCIPK1、GhSus1、GhSusA1和 GhPL这 5个基因都是在纤维伸长期优势表达; GhACT1、GhRacA
和 GhRacB 是在纤维伸长前期和次生壁加厚期高表达; 而 GhCelA1 和 GhcelA3 是在纤维伸长后期和次生壁加厚期优
势表达。这些基因表达谱与纤维品质关联分析显示, GhRacA在 23DPA高表达且表达量与纤维品质显著正相关, 其余
基因在低表达时其表达量与纤维品质呈显著性相关, 而在高表达时其表达量与纤维品质无相关性。GhExp1在 20DPA
的表达量与纤维比强度和整齐度呈显著负相关, 与伸长率呈极显著正相关; GhPL在 23DPA的表达量与纤维长度呈显
著负相关; GhRacA在 5DPA和 23DPA的表达量均与伸长率呈极显著正相关; GhRacB在 10DPA的表达量与长度和整
齐度呈显著负相关; GhCelA1基因在 5DPA的表达量与纤维长度呈显著正相关, 与马克隆值呈显著负相关, 在 10DPA
的表达量与马克隆值呈显著正相关, 与伸长率达到极显著正相关, 与比强度呈显著负相关, 与长度和整齐度呈极显
著负相关; GhCIPK1、GhACT1、GhSus1、GhSusA1和 GhCelA3 这 5个基因在纤维发育各时期的表达量与纤维品质各
指标未检测到相关性。
关键词: 棉花; 纤维品质; 棉纤维发育相关基因; 荧光实时定量 PCR
Associated Analysis between Temporal and Spatial Expression of Fiber Deve-
lopment Genes and Fiber Quality
JU Ming, WANG Hai-Tang, WANG Li-Ke, LI Fei-Fei, WU Shen-Jie, ZHU Hua-Yu, ZHANG Tian-Zhen, and
GUO Wang-Zhen*
National Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Ten genes expressed preferentially in fiber development period reported previously and 14 cotton cultivars (strains)
with distinctly different fiber quality were selected in this paper. To test the relative expression values of the genes in six different
fiber developmental stages, 0 day post anthesis (DPA), 5DPA, 10DPA, 15DPA, 20DPA, 23DPA, by real-time quantitative RT-PCR
(qRT-PCR), and the data of fiber qualities from 14 cotton varieties (strains). The expression profile showed that GhExp1,
GhCIPK1, GhSus1, GhSusA1, and GhPL genes were expressed preferentially during fiber elongation; GhACT1, GhRacA, and
GhRacB genes all had high expression level in earlier stage of fiber elongation and the thickening period of secondary cell wall.
Two cellulose synthase genes (GhCelA1 and GhCelA3) were expressed predominantly during late stage of fiber elongation and the
thickening period of secondary cell wall. For most genes, the expression value in low expression level period had significant cor-
relation with fiber quality, while no significant correlation was detected in preferential expression stage of these genes with an
exception of GhRacA gene. The expression level of GhExp1 in 20DPA fiber of 14 cotton varieties (strains) had a significant nega-
tive correlation with fiber strength and uniformity and a significant positive correlation with fiber elongation percentage; the ex-
pression level of GhPL gene in 23DPA had a significant negative correlation with fiber length; the expression level of GhRacA
gene in 5DPA and 23DPA both had a high significant positive correlation with fiber elongation percentage; the expression level of
GhRacB gene in 10DPA had a significant negative correlation with fiber length and uniformity; the expression level of GhCelA1
gene in 5DPA had a significant positive correlation with fiber length and a significant negative correlation with micronaire value;
the expression level of GhCelA1 gene in 10DPA had a significant negative correlation with fiber length, a significant positive cor-
1218 作 物 学 报 第 35卷

relation with micronaire value, and a high significant correlation with fiber elongation percentage; the correlation between the
expression levels of GhCIPK1, GhACT1, GhSus1, GhSusA1and GhCelA3 gene and fiber quality indexes had not been detected.
Keywords: Cotton; Fiber quality; Genes related with fiber development; Real-time quantitative RT-PCR
棉花纤维是一种重要的天然纺织材料。但是随
着纺织工业的发展, 对棉纤维的长度、强度、整齐
度等方面都提出了更高的要求。因此, 通过分析棉
纤维发育相关基因时空表达调控与棉纤维品质形成
关系可为研究棉纤维发育机理和改良纤维品质提供
重要的理论基础[1]。
前人已从棉花中分离了许多棉纤维发育相关基
因。Harmer 等[2]从陆地棉基因组文库中筛选出 6 个
α-expansin 基因序列 , 有 4 个 (GhExp1、GhExp2、
GhExp4 和 GhExp6)在伸长的纤维细胞中表达, 其中
GhExp1在纤维细胞伸长发育期特异表达, 它的表达
高峰出现在 6DPA, 在 20DPA后开始下降; Gao等[3]
鉴别出一些在纤维细胞中优先或特异表达的基因 ,
其中一个被命名为 GhCIPK1, 进一步研究发现该基
因包含 CIPK 蛋白的特征区域, 并且在纤维伸长阶
段高表达, 其基因产物是一个功能蛋白激酶; Li 等[4]
将棉花肌动蛋白基因依据在不同组织中的表达差异
分为 4 组 , 其中一组是以 GhACT1 为代表的 ,
GhACT1 在纤维细胞中优势表达, 对棉花纤维的伸
长起着重要的作用, 但对棉纤维的起始无作用; 郭
媖[5]首次在棉花中克隆出果胶裂解酶(pectate lyase,
GhPL)基因, 它在根、茎、叶中都不表达, 仅在纤维
发育细胞中表达, 是一个棉纤维特异表达基因; 李
先碧等[6]从棉花纤维中扩增并克隆了 2 个棉花 Rac
蛋白的 cDNA 序列, 分别命名为 GhRacA和 GhRacB,
推测 2 个基因在棉花纤维的早期发育中可能有重要
的功能; Ruan 等[7]从棉纤维中分离出一个编码蔗糖
合酶的全长 cDNA(GhSus1), 该基因可能在纤维发
育中有重要作用, 在 2006年本实验室克隆了另一个
属于蔗糖合酶家族的基因 GhSusA1(未发表); Pear等
[8]筛选出 GhcelA1 和 GhcelA2 在次生壁纤维素合成
活跃期高量表达的两个基因, 而Laosinchai等[9]也已
经分离出第 3 个棉花纤维素合成酶基因 GhcelA3。
上述基因均在纤维发育时期优势或特异表达, 但多
数基因在纤维发育过程中的确切功能尚不清楚, 纤维
发育相关基因与棉纤维品质的关联关系也少见报道。
实时荧光定量 PCR 准确和灵敏度高, 不要求扩
增后电泳等处理, 可以节省时间, 有效消除实验室
PCR 产物紫外检测带来的污染, 是研究基因表达定
量分析的一种有效快捷方法[10]。
本研究利用实时荧光定量 PCR 技术分析了 10
个棉纤维发育相关基因在不同棉花材料中的表达趋
势, 以及这些基因时空表达与纤维品质的相关性。
以期研究基因的表达与纤维品质形成的关系, 进而
为揭示棉纤维发育的复杂分子调控机制并将之应用
于棉纤维品质遗传改良奠定基础。
1 材料与方法
1.1 棉花材料
根据近几年我室棉花资源材料的纤维检测结果,
选取 14 个纤维品质不同的棉花品种或品系, 即海
7124(H7124)、7235、J415、PD6992、HS427, 渝棉
1号(YM1)、TM-1、泗棉 3号(SM3)、川棉 56(CM56)、
新陆早 2号(XLZ2)、湘棉 11(XM11)、石短 5号(SD5)、
01525 和 01533。其中海 7124 为海岛棉, 其余为陆
地棉。将所有材料种植于南京农业大学江浦试验站。
分别取 0DPA和 5DPA的胚珠和纤维混合物, 10DPA、
15DPA、20DPA和 23DPA的纤维作为研究材料。由
于所选材料 01525 和 01533 结铃性较差, 没有取到
这两个材料 15DPA的纤维。
1.2 基因来源及荧光定量 PCR引物合成
10 个在纤维发育过程中优势表达的基因中, 9
个从已经报道的棉纤维发育相关基因中选取, 1个编
码蔗糖合酶是本实验室克隆的。
10个基因的相关信息及用于定量分析的特异引
物被列于表 1。利用这 10个基因 cDNA序列设计的
引物符合荧光定量 PCR 检测反应特异性要求。所用
内参基因为真核生物中组成性表达的 EF1a 基因 ,
正向引物为 5′-AGACCACCAAGTACTACTGCAC-
3′(Y347F); 反向引物为 5′-CCACCAATCTTGTACA
CATCC-3′(Y347R), 所有引物由上海英骏公司合成。
1.3 实时荧光定量 PCR
用 CTAB法提取 14个棉花品种(或品系)胚珠和
纤维混合物 0DPA 和 5DPA 的 RNA[11], 用改进的热
硼酸法提取 10DPA、15DPA、20DPA、23DPA 纤维
的 RNA[12], 用 Dnase I消化 DNA, 反转录成 cDNA。
各 cDNA 样品分别利用各对应基因和 EF1α 基因引
物进行定量 PCR反应且每个反应重复 3 次, 荧光种
类为 SYBR Green1(原液稀释 1 000倍后使用), 反应
体系为 25 μL含 cDNA模板 1 μL, 10×PCR buffer 2.5
第 7期 琚 铭等: 棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析 1219


表 1 基因名称及荧光定量 PCR所用的引物
Table 1 Gene and qRT-PCR primers used in this study
基因名称
Gene name
登录号
Accession number
参考文献
Reference
引物序列
Primer sequences
引物编号
Primer number

GhExp1 AF043284 Harmer et al., 2002[2] F: 5′-CTGCCCATGCCACCTTCTAC-3′
R: 5′-GCACTTGCTCGCCTATTTCA-3′
Y3023

GhACT1 AY305723 Li et al., 2005[4] F: 5′-CATCCTCCGTCTTGACCTTG-3′
R: 5′-ACTTCCCGCACATAAACCAG-3′
Y3024

GhCIPK1 EF363689 Gao et al., 2007[3] F: 5′-ATGGTATGGCTTTGGAGGTG-3′
R: 5′-GCTTCGTACCCTTTGTTGAG-3′
Y3026

GhRacA DQ667981 Li et al.,2005[6] F: 5′-ATGAATCCGCACCCTCTAAG-3′
R: 5′-TGTACGCAATATCCAAACCC-3′
Y3027

GhRacB DQ315791 Li et al.,2005[6] F: 5′-GTTGTAGGTGGTGATAGGCG-3′
R: 5′-ACCGTTACAGGTTGCGAATG-3′
Y3028

GhSus1 U73588 Ruan et al., 1998 [7] F: 5′-GACCAGACCGCTGAACTCCT-3′
R: 5′-CCTCGCAATCAACCAGAACC-3′
Y3029

GhSusA1 No accession No publication F: 5′-CAACAATAAACAGCCAAGGG-3′
R: 5′-GCCGAGGTTGTAATCGTCAT-3′
Y3030

GhCelA1 GHU58283 Pear et al., 1996[8] F: 5′-ACAAGTAACAAGTTCCCGACAG-3′
R: 5′-TTAGCATCCGAATTAAAGCGTA-3′
Y3033

GhCelA3 AF150630 Laosinchai et al., 2000[9] F: 5′-CCCTGGTGTTCCGATAGTTCTT-3′
R: 5′-CTGGCAGTTGGTTCCATCTTTT-3′
Y3034

GhGhPL DQ073046 Guo et al., 2005[5] F: 5′-TTGTTGCCTCTACACTTATGG-3′
R: 5′-AGAACTTTGAGAAGCCCTTG-3′
Y3058

μL, 10 mmol L−1 dNTP 0.5 μL, 25 mmol L−1 MgCl2 1.5
μL, 10 μmol L−1 Primer F 1 μL, 10 μmol L−1 Primer R
1 μL, SYBR Green1 稀释样 1 μL, 5 U μL−1 rTaq
polymerase 0.2 μL, ddH2O 16.3 μL。在荧光定量 PCR
仪(iQ5型, BIO-RAD, USA)上完成测定。
以最小的样本阈值循环数(Ct值)和最高的荧光
值为标准。扩增程序为 95℃ 30 s; 95℃ 10 s, 55℃ 30
s; 72℃ 30 s, 40个循环; 72℃下延伸 5 min。反应完成
后, 得到所有样本的记录点曲线, 默认分析模式称
为 background substrated, 选 择 PCR base line
substrated 模式进行数据分析。
用公式 2–ΔCt 计算出每个基因在 14个棉花品种
(或品系) 6个发育时期的相对表达量。采用相对定量
2–ΔCt[13]分析基因表达量。即分别测定目的基因和参
比基因的 Ct值, 再求出相对于参比基因的目的基因
的相对量, 最后再进行品种间相对量的比较。
1.4 14个棉花品种(或品系)纤维品质检测分析
收获 14 个棉花品种(或品系)株行吐絮期中部铃
籽棉样品, 送中国农业科学院棉花研究所农业部棉
花品质监督检验测试中心进行纤维品质 HVI900
(ICC标准)测试。每个样品重复 3次。
1.5 多重比较及相关性分析
对 14个棉花品种(或品系)的纤维长度、比强度、
马克隆值、伸长率和整齐度各指标在 1%水平上进行
多重比较; 对于每一个基因, 以 14个棉花品种(或品
系)每个时期的相对表达量与对应的成熟纤维品质
各指标进行 Pearson 双尾相关性分析。分析软件为
SPSS 16.0。
2 结果与分析
2.1 10个基因在不同棉花品种(或品系)中的表达谱
在不同棉花品种(或品系)中, GhCIPK1 有两种
表达谱(图 1), 一种是在 5DPA 表达量达到最高, 另
外一种是在 10DPA 表达量达到高峰, 同时在一些棉
花品种中在 23DPA也有相对高的表达。总体来说是
纤维伸长期优势表达基因。GhACT1 在 10DPA 和
23DPA 都有较高的表达水平, 而在其他 3 个时期的
表达相对较低。说明该基因在纤维伸长期和次生壁
加厚期优势表达(图 2)。GhSus1 和 GhSusA1 两个基
因都出现两种趋势(图 3 和图 4)。GhSus1 基因在纤
维伸长早期和次生壁加厚期优势表达; GhSusA1 的
表达优势主要集中在 0~5DPA。GhCelA3在伸长后期
至次生壁加厚期优势表达, 在 15DPA和 23DPA出现
两个表达高峰(图 5)。
GhExp1 在 7235、TM-1、新陆早 2 号、石短 5
号、湘棉 11、J415 和泗棉 3 号中于 5DPA、15DPA
出现表达高峰; 在其余品种(或品系)中于 10DPA 出
现表达高峰(图 6)。由此可以看出 GhExp1基因在纤
维发育伸长阶段优势表达, 但在不同遗传背景下其
表达高峰存在于不同发育时期。GhPL的表达谱有两
种(图 7), 第 1种趋势是在 5DPA达到表达高峰; 第 2
种是在 10DPA 时有相对高的表达, 说明此基因在
1220 作 物 学 报 第 35卷

纤维伸长的早期优势表达。GhRacA 在 10DPA 和
2 3 D PA 纤维中有相对高的表达 ; 从整体上看
GhRacA 基因在纤维伸长的前期及次生壁增厚期较
其他时期有高的表达水平(图 8)。GhRacB 高表达集
中在起始期至伸长的前期和次生壁加厚期(图 9); 在
7235中 5DPA表达量最高, 15DPA和 23DPA也有较



图 1 GhCIPK1在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、
23DPA的表达谱
Fig. 1 Expression profile of GhCIPK1 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA



图 2 GhACT1在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA
的表达谱
Fig. 2 Expression profile of GhACT1 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA


图 3 GhSus1在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA
的表达谱
Fig. 3 Expression profile of GhSus1 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA



图 4 GhSusA1在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、
23DPA的表达谱
Fig. 4 Expression profile of GhSusA1 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA
第 7期 琚 铭等: 棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析 1221




图 5 GhcelA3在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA
的表达谱
Fig. 5 Expression profile of GhcelA3 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA



图 6 GhExp1在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA
的表达谱
Fig. 6 Expression profile of GhExp1 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA


图 7 GhPL在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA
的表达谱
Fig. 7 Expression profile of GhPL in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA


高的表达 ; 在新陆早 2 号 15DPA 的表达量最高。
GhCelA1 在伸长后期至次生壁加厚期优势表达, 在
15DPA和 23DPA 达到两个表达高峰(图 10), 但是总
体上 GhCelA1的表达量明显高于 GhCelA3。
因为没有取到 01525 和 01533 这两个材料
15DPA 的纤维, 所以图 1 至图 10 中缺少 10 个基因
在这两个材料纤维发育 15DPA的相对表达量。
2.2 14个棉花品种(或品系)纤维品质检测分析
根据 14 个棉花品种(或品系)的纤维品质测定结
果, 选择纤维长度、比强度、马克隆值、伸长率和
整齐度 5个指标对 14个棉花品种(或品系)纤维品质
在 1%水平上进行差异显著性分析(表 2)。
从多重比较结果可知, 按照差异的显著性, 14
个品种(或品系)在纤维长度和伸长率上有 5个差异水
平, 在比强度上有 4个差异水平, 在马克隆值上有 3
个差异水平, 而在整齐度上呈现 2个差异水平。
2.3 10 个基因与棉纤维品质各指标的相关性
分析
对 10个基因在 14个棉花品种(或品系)不同发育
时期的表达量和相应的棉纤维品质指标相关性分析
1222 作 物 学 报 第 35卷



图 8 GhRacA在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA的表达谱
Fig. 8 Expression profile of GhRacA in 0DPA, 5DPA, 10DPA, 15DPA, 20DPA, and 23DPA

表明, 检测到伸展蛋白基因(GhExp1)、果胶裂解酶基
因(GhPL)、RacA 蛋白基因(GhRacA)、RacB 蛋白基
因(GhRacB)和纤维素合酶基因(GhCelA1)有相关性,
与纤维长度相关的基因是 GhPL、 GhRacB 和
GhCelA1; 影响纤维比强度的基因是 GhExp1 和
GhCelA1; 对马克隆值有影响的基因是 GhCelA1; 与
纤维伸长率相关的基因是 GhExp1、GhRacA 和
GhCelA1; 与纤维整齐度相关的基因是 GhExp1、
GhRacB 和 GhCelA1。未检测到 GhCIPK1、GhACT1、
GhSus1、GhSusA1 和 GhcelA5 个基因的表达和纤维
品质相关。
2.3.1 伸展蛋白基因(GhExp1)与棉纤维比强度、整
齐度和伸长率的关系 GhExp1与纤维比强度、整
齐度和伸长率均显著相关, GhExp1在 20DPA表达量
与纤维比强度、伸长率和整齐度的相关系数为
–0.590*、0.772*和–0.557*。即 GhExp1基因在 20DPA
的高表达引起了棉纤维比强度和整齐度变差, 而使
伸长率变大(图11)。说明成熟纤维的比强度、整齐度
和伸长率性状的形成对于纤维发育 20DPA 时
GhExp1基因表达量是敏感的。
2.3.2 果胶裂解酶基因(GhPL)与长度的关系
GhPL 在 23DPA 的表达量与纤维长度的相关系数为
–0.569*, 呈显著负相关。在长度较长的品种(品系)
其纤维发育 23DPA 时, GhPL 基因的表达量较低(图
12)。说明在 23DPA GhPL基因的低表达对纤维长度
的形成有利。
2.3.3 棉花 Rac 蛋白基因(GhRacA 和 GhRacB)与伸
长率、整齐度和长度的关系 GhRacA在 5DPA表
达量与纤维伸长率的相关系数为 0.524**, 在 23DPA
的相关系数为 0.525**, 均呈正相关。而在纤维发育
的其他时期与纤维品质没有显著相关性。从图 13可
以看出, 在大部分的棉花品种或品系中, GhRacA 基
第 7期 琚 铭等: 棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析 1223




图 9 GhRacB在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、23DPA
的表达谱
Fig. 9 Expression profile of GhRacB in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA


图 10 GhcelA1在 0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA、
23DPA的表达谱
Fig. 10 Expression profile of GhcelA1 in 0DPA, 5DPA, 10DPA,
15DPA, 20DPA, and 23DPA

因的相对表达量较集中且与纤维伸长率呈正相关。
对于具有最大伸长率的材料, GhRacA 基因在 5DPA
和 23DPA的表达量达到最高。GhRacB在 10DPA的
表达量与纤维长度和整齐度的相关系数分别为
–0.683*和–0.560*。从图 14 看出, GhRacB 的表达特

表 2 14个棉花品种(或品系)棉纤维长度、比强度、马克隆值、伸长率和整齐度差异显著性检测
Table 2 Analysis of significant difference for fiber length, strength, micronaire value, elongation rate, and uniformity in
14 varieties (or strains) in cotton
长度 比强度 马克隆值 伸长率 整齐度
Length (mm) Strength (cN tex−1) Micronaire value Elongation rate (%) Fiber uniformity (%)
H7124 34.29±0.36 A J415 40.95±0.05 A 01533 5.53±0.06 A 01525 14.25±0.98 A H7124 86.13±0.92 A
7235 31.91±0.95 B 7235 38.75±0.59 AB 01525 5.24±0.15 A 01533 11.35±0.96 B 7235 85.73±1.17 A
J415 31.53±0.85 B YM1 38.57±0.83 AB XM11 5.20±0.20 AB CM56 8.3±0.96 C TM-1 85.63±0.50 A
PD6992 30.51±0.38 BC H7124 37.25±0.93 B TM-1 5.20±0.14 AB XLZ2 6.6±0.62 CD HS427 84.90±1.23 AB
SD5 29.48±0.70 C HS427 35.64±0.91 B CM56 5.05±0.13 AB XM11 6.53±0.45 CD J415 84.78±1.71 AB
TM-1 29.13±0.94 C PD6992 34.36±0.81 B SM3 4.97±0.06 AB TM-1 6.33±0.38 CD YM1 84.68±1.23 AB
HS427 28.81±0.61 CD TM-1 28.94±0.95 C HS427 4.81±0.37 B SD5 6.15±0.35 CD SM3 83.70±1.49 AB
YM1 28.39±0.68 CD SD5 28.21±0.17 CD YM1 4.74±0.18 B SM3 5.80±0.38 D PD6992 83.25±1.20 AB
SM3 28.31±0.19 CD SM3 28.20±0.30 CD XLZ2 4.67±0.06 BC H7124 5.73±0.15 DE XLM2 82.98±1.19 AB
CM56 27.53±0.36 CD XLZ2 27.41±0.84 CD J415 4.40±0.22 BC PD6992 5.00±0.01 DE SD5 82.43±1.40 AB
XLZ2 27.26±0.51 D XM11 27.07±0.81 CD 7235 4.30±0.10 C YM1 4.70±0.42 DE CM56 82.10±1.53 B
XM11 26.97±0.57 D CM56 24.80±0.20 D SD5 4.20±0.01 C HS427 4.47±0.47 DE XM11 81.98±1.07 B
01525 22.17±0.62 E 01533 22.95±0.25 D PD6992 4.16±0.18 C 7235 4.20±0.14 DE 01525 79.78±2.23 B
01533 21.04±0.51 E 01525 21.05±0.32 D H7124 4.07±0.07 C J415 3.95±0.21 E 01533 79.73±0.54 B
H7124: 海 7124; SD5: 石短 5号; YM1: 渝棉 1号; SM3: 泗棉 3号; CM56: 川棉 56; XLZ2: 新陆早 2号; XM11: 湘棉 11。数值
后的大写字母不同表示在 0.01水平上差异显著。
Values followed by different letters are significantly different at the 0.01 probability level.

1224 作 物 学 报 第 35卷



图 11 GhExp1 基因 20DPA的表达水平与比强度、伸长率和整
齐度的关系
Fig. 11 Relationship between expression level of GhExp1 gene
in 20DPA and fiber strength, fiber elongation percentage and
fiber uniformity

点和 GhRacA具有相似性, 也出现了极端现象。在纤
维长度最短的材料和纤维整齐度最差的材料中 ,
GhRacB 基因在 10DPA 的表达量是最高的, 而且在
纤维发育的其他时期与纤维品质无显著相关性。
2.3.4 棉花纤维素合酶基因(GhCelA1)与纤维品质
各指标的关系 GhCelA1 与纤维品质多项指标显
著相关, GhCelA1在 5DPA的表达量与纤维长度和马
克隆值的相关系数为 0.533*和–0.540*。亦即 5DPA
的高表达引起纤维长度的增加及马克隆值的降低 ;
在 10DPA 的表达量与长度、比强度、整齐度、马克


图 12 GhPL 23DPA的表达水平与长度的关系
Fig. 12 Relationship between expression level of GhPL in
23DPA and fiber length



图 13 GhRacA基因 5DPA和 23DPA的表达水平与纤维伸长率
的关系
Fig. 13 Relationship between expression level of GhRacA in
5DPA and 23DPA and fiber elongation percentage

隆值和伸长率的相关系数分别为–0.842**、–0.639*、
–0.783*、0.541*和 0.924**。10DPA 的高表达导致纤
维马克隆值和伸长率的增加以及长度、比强度和整
齐度的降低(图 15~图 17)。推测 GhCelA1 在 5DPA
第 7期 琚 铭等: 棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析 1225


和 10DPA表达量对纤维品质的形成具有非常重要的
影响; 然而, 此基因在优势表达时期的表达量对纤
维品质无显著作用。



图 14 GhRacB基因 10DPA的表达水平与纤维长度和纤维整齐
度的关系
Fig. 14 Relationship between expression level of GhRacB in
10DPA and fiber length and uniformity
3 讨论
棉纤维是由胚珠表皮细胞发育而成的, 经历起
始期、伸长期(初生壁形成)、次生壁形成期和成熟期。
徐楚年等[14]对陆地棉、海岛棉、亚洲棉、草棉等胚
珠细胞分化与伸长启动研究表明, 各棉种在纤维发
育早期细胞形态变化基本相同。棉花纤维发育受遗
传和环境两方面影响, 不同的棉花品种形成各自相
应的纤维品质。多年来, 国内外许多棉花研究人员
从遗传和环境两个方面探讨棉纤维形成机理及影响
棉花纤维品质的因素[15]。本研究在尽量保证栽培条
件一致的情况下, 选取了纤维品质具有差异的 14个
棉花材料, 重点研究了这些材料在纤维发育的 6 个
时期(0DPA、5DPA、10DPA、15DPA、20DPA和 23DPA)
10个纤维发育相关基因的相对表达量与纤维品质的


图 15 GhcelA1基因 10DPA的表达水平与马克隆值和伸长率的
关系
Fig. 15 Relationship between expression level of GhcelA1 in
10DPA and micronaire value and fiber elongation percentage

关系。由于不同棉花品种或品系存在纤维发育各个
时期的时间差异, 开花至纤维成熟的过程不完全一
致, 因此本研究涉及的 6个纤维发育时期可能并未覆
盖这 10个基因在不同棉花材料中的最高/最低表达水
平。我们发现, 在不同纤维品质的棉花材料中, 同一
基因在同一纤维发育时期的相对表达量差异较大 ,
说明这些基因对于棉花纤维品质的形成具有重要的
作用。
3.1 GhExp1基因对纤维品质形成的影响
通过棉纤维伸长期 EST 数据库分析, 4 个编码
细胞膨胀素的基因在纤维细胞迅速伸长阶段表达水
平较高, 在进入次生壁合成期后表达量迅速下降[16]。
Expansin 蛋白能够打断纤维素微丝间的氢键, 从而
使细胞壁疏松延展。本试验也证明 GhExp1 基因在
纤维伸长期优势表达, 但通过分析该基因表达与纤
维品质的相关性, 发现 GhExp1 基因在纤维伸长期
的表达量与纤维长度没有显著相关性, 而在 20DPA
1226 作 物 学 报 第 35卷



图 16 GhcelA1 10DPA的表达水平与长度、比强度和整齐度的
关系
Fig. 16 Relationship between expression level of GhcelA1 in
10DPA and fiber length, fiber strength and fiber uniformity

时的高表达导致比强度和整齐度的变差, 伸长率变
大。在 23DPA, GhExp1基因表达量下降的趋势已经
稳定, 根据分析得知这个时期的表达水平与纤维品
质的相关性不显著, 因此推测 GhExp1 基因从 15DPA
到 20DPA表达量下降程度对纤维品质有影响。
3.2 GhPL基因对纤维品质形成的影响
果胶裂解酶又叫转移消除酶, 通常是由植物病
原体组织分泌的, 并认为它是导致一些易腐植物细
胞壁变软的因素[5]。本实验室于 2006年首次从棉花
中克隆出一个棉纤维特异表达的果胶裂解酶基因 ,
推测这个基因在棉花的发育中可能起松弛细胞壁 ,
促进棉纤维细胞伸长的作用[5]。本研究中 GhPL基因
在不同材料中的表达高峰均集中在纤维伸长早期 ,
但其表达水平与成熟纤维的纤维长度没有显著相关,
在 GhPL基因表达量较低的 23DPA其表达量与纤维


图 17 GhcelA1基因 5DPA的表达水平与纤维长度和马克隆值
的关系
Fig. 17 Relationship between the expression level of GhcelA1
in 5DPA and fiber length and micronaire value

长度相关, GhPL基因在次生壁加厚期的高表达将导
致纤维长度变短。其相关机理需进一步验证。
3.3 棉花 Rac蛋白基因对纤维品质形成的影响
已有研究表明, 棉花纤维在开花前后突起并迅
速伸长, 这一过程包括一系列的细胞和亚细胞变化,
同时也受到植物激素的精确调控。在这一发育进程
中, 一些过程可能受 Rac 蛋白控制, 如激素的信号
转导、次生壁的定位合成、细胞骨架重排和细胞极
性决定等。棉花 Rac 蛋白(Rac9 和 Rac13)在初生壁
和次生壁合成的转换时期大量表达, 通过产生 H2O2
引发棉纤维的次生壁合成[17]。本研究中 GhRacA 和
GhRacB在纤维伸长早期及次生壁加厚期优势表达。
两基因的表达水平对成熟纤维的品质都有影响, 且
都出现了极端的现象, 这种现象可能还需要更多的
棉花品种做进一步的验证。虽然两基因都属于 Rac
蛋白家族, 但对纤维品质的影响却不相同。可能原
因是 GhRacB 蛋白与同源蛋白相比, 序列差异相对
较大 , 且在进化树中被分为单独的分支 , 很可能
GhRacB蛋白代表了 Rac蛋白的一个新的亚组[6]。
第 7期 琚 铭等: 棉纤维发育相关基因时空表达与纤维品质的关联分析 1227


3.4 纤维素合酶基因对棉纤维品质形成的作用
本研究表明, 两个纤维素合酶基因都是在纤维
伸长后期到次生壁加厚期优势表达, GhcelA1在纤维
品质的形成中有着重要的影响, 该影响主要集中于
纤维伸长的早期, 其基因表达量相对于其他时期最
低, 但对纤维品质的影响却最大, 而在表达水平较
高的时期与纤维品质并没有显著的相关性。作为同
一家族的 GhcelA3 基因在各个时期的表达水平与纤
维品质没有相关性, 对最终纤维品质的形成没有显
著的影响。目前已有研究证明, 初生、次生细胞壁
形成过程中, 纤维素的合成涉及不同的纤维素合酶
[18]。Holland等[19]对棉花、杨树、拟南芥及玉米的纤
维素合酶的比较研究表明, 这些酶本身的某些特异
性序列决定其在初生或次生细胞壁中表达, 而并非
单独由启动子决定。初生与次生细胞壁中的纤维素
具有不同的特征, 比如聚合度(degree of polymeriza-
tion), 其特征差异可能与不同的纤维素合酶有关
[20]。根据我们的研究可以推断 GhcelA1 基因在纤维
发育进程中起着非常重要的作用, 而且极显著地影
响着纤维品质的形成。
4 结论
在 14个棉花品种(品系)中, GhExp1、GhCIPK1、
GhACT1 和 GhPL 基因在纤维伸长期优势表达 ;
GhRacA 在纤维伸长的前期及次生壁增厚期较其他
时期有高的表达水平; GhRacB的高表达集中在起始
期至伸长的前期和次生壁加厚期; GhSus1 在起始和
次生壁加厚期优势表达; GhSusA1 的优势表达主要
集中在 0~5DPA 这一时期。GhCelA1 和 GhCelA3 基
因在伸长后期至次生壁加厚期优势表达。GhACT1、
GhCIPK1、GhSus1、GhSusA1和 GhCelA1基因的表
达量与纤维品质没有显著的相关性 ; GhExp1 在
20DPA 的表达量与纤维比强度和整齐度显著负相关,
与伸长率极显著正相关; GhPL在 23DPA的表达量与
纤维长度显著负相关; GhRacA在 5DPA和 23DPA的
表达量与伸长率极显著正相关; GhRacB在 10DPA的
表达量与纤维长度和整齐度显著负相关 ; GhCelA1
在 5DPA 的高表达导致纤维长度的增加及马克隆值
的降低, 在 10DPA 的高表达导致纤维马克隆值和伸
长率的增加以及长度、比强度和整齐度的降低。
References
[1] Zhang H(张辉), Tang W-K(汤文开), Tan X(谭新), Gong L-L(龚
路路), Li X-B(李学宝). Progresses in the study of gene regula-
tion of cotton fiber development. Chin Bull Bot (植物学通报),
2007, 24(2): 127–133 (in Chinese with English abstract)
[2] Harmer S E, Orford S J, Timmis J N. Characterisation of six
α-expansin genes in Gossypium hirsutum (upland cotton). Mol
Genet Genomics, 2002, 268: 1–9
[3] Gao P, Zhao P M, Wang J, Wang H Y, Wu X M, Xia G X. Identi-
fication of genes preferentially expressed in cotton fibers: A pos-
sible role of calcium signaling in cotton fiber elongation. Plant
Sci, 2007, 173: 61–69
[4] Li X B, Fan X P, Wang X L, Cai L, Yang W C. The cotton
ACTIN1 gene is functionally expressed in fibers and participates
in fiber elongation. Plant Cell, 2005, 17: 859–875
[5] Guo Y( 媖郭 ). Cloning and Characterization of Five Genes Re-
lated with Fiber Development in Gossypium hirsutum L. MS
Dissertation of Nanjing Agricultural University, 2006 (in Chinese
with English abstract)
[6] Li X-B(李先碧), Xiao Y-H(肖岳华), Luo M(罗明), Hou L(侯磊),
Li D-M(李德谋), Luo X-Y(罗小英), Pei Y(裴炎). Cloning and
expression analysis of two Rac genes from cotton (Gossypium
hirsutum L.). Acta Genet Sin (遗传学报), 2005, 32(1): 72–78 (in
Chinese with English abstract)
[7] Ruan Y L, Prem S C. A fiberless seed mutation in cotton is asso-
ciated with lack of fiber cell initiation in ovule epidermis and
alterations in sucrose synthase expression and carbon partitioning
in developing seeds. Plant Physiol, 1998, 118: 399–406
[8] Pear J R, Kawagoe Y, Schreckengost W E, Delmer D P, Stalker D
M. Higher plants contain homologs of the bacterial celA genes
encoding the catalytic subunit of cellulose synthase. Proc Natl
Acad Sci USA, 1996, 93: 12637–12642
[9] Laosinchai W, Cui X, Brown R M Jr. A full cDNA of cotton cel-
lulose synthase has high homology with the Arabidopsis RSW1
gene and cotton CelA1 (accession No. AF 200453) (PGR 00-002).
Plant Physiol, 2000, 122: 291
[10] Yu S-W(余舜武), Liu H-Y(刘鸿艳), Luo L-J(罗立军). Analysis
of relative gene expression using different real-time quantitative
PCR. Acta Agron Sin (作物学报), 2007, 33(7): 1214–1218 (in
Chinese with English abstract)
[11] Hughesd D W, Galau G. Preparation of RNA from cotton leaves
and pollen. Plant Mol Biol Rep, 1988, 6: 253–257
[12] Wan C Y, Wilkins T A. Isolation of multiple cDNA encoding the
vacuolar H+-ATPase subunit B from developing cotton (Gos-
sypium hirsutum L.). Plant Physiol, 1994, 106: 393–394
[13] Pfaffl M W. A new mathematical model for relative quantification
in real-time RT-PCR. Nucl Acids Res, 2001, 29: e45
[14] Xu C-N(徐楚年), Yu B-S(余炳生), Zhang Y(张仪), Jia J-Z(贾君
镇), Shou Y(寿元). Comparative study of four cultivated cotton
species. Beijing Agric Univ J (北京农业大学学报), 1988, 14(2):
113–119 (in Chinese with English abstract)
[15] Tang Q-F(汤庆峰), Wen Q-K(文启凯), Tian C-Y(田长彦),
Zhang J-S(张巨松), Ma L-C(马黎春). A study process on forma-
tion mechanism of cotton fiber quality and its affecting factors.
Xinjiang Agric Sci (新疆农业科学), 2003, 40(4): 206–210 (in
1228 作 物 学 报 第 35卷

Chinese with English abstract)
[16] Gou J Y, Wang L J, Chen S P, Hu W L, Chen X Y. Gene expres-
sion and metabolite profiles of cotton fiber during cell elongation
and secondary cell wall synthesis. Cell Res, 2007, 17: 422–434
[17] Jones M A, Shen J J, Fu Y, Li H, Yang Z B, Grierson C S. The
Arabidopsis Rop GTPase is a positive regulator of both root hair
initiation and tip growth. Plant Cell, 2002, 14: 763–776
[18] Saxena I M, Brown R M. Cellulose synthase and related enzymes.
Curr Opin Plant Biol, 2000, 3: 523–531
[19] Holland N, Holland D, Helentjaris T, Dhugga K S, Xoconos-
tle-Cazares B, Delmer D P. A comparative analysis of the plant
cellulose synthase (CesA) gene family. Plant Physiol, 2000, 123:
1313–1324
[20] Delmer D P. Cellulose biosynthesis: Exciting times for a difficult
field of study. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1999, 50:
245–276



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