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温度是严重影响植物生长发育的主要环境因素,是限制植物地理分布的关键因子。植物在适应温度胁迫的过程中逐渐形成复杂的调节机制。棉花是一种对温度胁迫极其敏感的作物。研究棉花对低温和高温胁迫响应的分子遗传基础,挖掘重要的抗性基因资源,是提高棉花对低温或高温胁迫的适应性重要手段,也是提高棉花高产优质的重要途径,对我国棉花生产具有重要的指导性意义。1.GhKCS13通过调控脂质重塑以及茉莉酸合成来响应低温胁迫低温胁迫是影响植物生长发育及生产力的重要环境因素。质膜是感受低温的第一个传感器。低温胁迫会造成依赖于质体的脂肪酸从头合成和半乳糖脂的生物合成,以及依赖于内质网的脂肪酸的延伸和鞘脂合成过程发生改变,从而通过影响膜脂质的组分和结构来响应低温胁迫。然而,由脂质介导的植物对低温胁迫的响应机制尚不明确,因此,研究这种调节机制来提高作物产量是亟待解决的重要问题。超长链脂肪酸是膜脂质双分子层中的重要组成成分,它可能在低温胁迫的响应过程中起着关键作用。因此,本研究介绍了棉花超长链脂肪酸合成酶,β-酮脂酰-CoA合酶——GhKCS13在响应低温胁迫中的生理功能。①GhKCS13超表达株系表现出对低温更加敏感,表明GhKCS13可能参与了对低温胁迫的响应过程。脂质分析的结果表明,超表达GhKCS13使转基因棉花叶片中鞘脂和甘油脂的成分都发生了改变,影响了膜脂的不饱和度以及非双分子层脂质的比例,从而改变细胞膜的流动性,导致转基因株系间对低温胁迫敏感性的差异。②研究结果表明,包括不饱和鞘脂和磷脂酸在内的脂信号分子也参与了棉花对低温胁迫的响应,它们在GhKCS13超表达株系中含量减少,而在RNAi株系中积累。③本研究发现RNAi株系中有更多茉莉酸的积累,而在超表达株系中茉莉酸的含量减少,表明了 GhKCS13通过调控溶血磷脂和氧脂类茉莉酸的合成来响应低温胁迫。综上所述,超表达GhKCS13可能会影响在内质网合成的脂质以及在叶绿体中合成的氧脂类茉莉酸的合成,从而导致转基因棉花对低温胁迫的敏感性增加。因此,我们推测脂质成分、脂信号分子以及茉莉酸之间存在复杂的调控网络来影响棉花对低温胁迫的响应过程。2.深度测序揭示了由小RNA介导的棉花对低温和高温胁迫的响应低温胁迫和高温胁迫严重影响了植物的生长和发育,植物逐渐形成了复杂的反应和调节机制。其中,一些非编码RNA和转录因子可以调控参与逆境胁迫响应的基因来响应各种胁迫。miRNA是一类长度通常为19-25个核苷酸(nt)内源性非编码RNA,它可以通过转录后调控胁迫响应相关基因的表达。本研究利用小RNA测序技术鉴定了不同温度条件下(4,12,25,35,和42℃)棉花幼苗中的miRNAs,共鉴定出63个保守miRNAs和105个新的候选miRNAs在不同温度胁迫下差异表达。利用降解组测序技术鉴定出差异表达的32个保守miRNAs以及31个新的候选miRNAs的216个靶标,其中大部分靶基因在高低温胁迫的作用下,参与了维持生长稳态、叶绿体功能、氧化还原以及激素信号转导等路径。通过对miRNA及其靶基因的表达模式分析发现,它们具有明显的负相关性,因而推测miRNAs可能通过负调控相应的靶基因调控下游信号路径,从而参与调控逆境胁迫响应。本研究丰富了棉花响应不同温度胁迫的调控网络,为提高棉花高低温胁迫的耐受力提供了理论基础。