棉花是首要的天然纤维作物,是纺织工业重要的资源,在国民经济中的地位举足轻重。棉花育种工作的主要目标之一是提高棉花产量,衣分是构成棉花产量的重要因素之一,是一个复杂的数量性状,受多种因素影响调控。细胞壁关联激酶(Wall-associated kinases,WAKs)是类受体激酶(Receptor like kinases,RLKs)的一个亚家族,直接参与植物细胞的伸长以及对生物和非生物胁迫的响应。目前,越来越多的植物完成全基因组测序,包括多种棉属基因组测序的完成,为通过比较基因组学研究绿色植物WAK的起源及进化,特别是棉属WAK的进化及生物学功能提供了坚实的数据支撑。本研究首先利用绿色植物不同谱系的基因组数据,基于系统进化分析,揭示绿色植物中WAK基因家族的起源和进化模式;并对棉花WAK基因家族进行全基因组鉴定,探索其在棉花纤维发育过程中的功能作用。主要研究结果如下:(1)通过在绿色植物谱系中同源搜索和结构域预测,在37个物种中共鉴定到1061个WAK基因,但在绿藻immune stress和轮藻中都没有鉴定到WAK基因,WAK基因最早出现在苔藓植物中,推测WAK基因家族可能在水生植物向陆生植物的转变过程中出现。系统发育分析发现,WAK在单子叶和双子叶植物中各形成特有的分支,表明WAK可能在单双子叶分化后发生基因复制事件,或者是在进化分支形成后发生基因丢失事件。利用单子叶的模式植物(水稻)和双子叶的模式植物(拟南芥)的顺式作用元件和表达模式分析,说明WAK基因在单双子叶中的功能多样性,参与多种器官发育,并且可能参与响应不同植物激素或胁迫的不同信号通路。复制和丢失分析发现WAK基因在被子植物中发生大量物种特异性扩增,导致基因数目的增加。(2)利用两个二倍体亚洲棉、雷蒙德氏棉和异源四倍体陆地棉基因组数据,对WAK基因家族进行全基因组鉴定,分别鉴定到58、66和99个WAK基因。共线性分析表明,片段复制和串联复制导致棉花WAK基因家族的扩增。非同义突变/同义突变Ka/Ks分析说明该家族在进化过程中受到纯化选择。基因结构和蛋白质保守基序分析,也显示WAK家族基因功能在棉花中是相当保守的。启动子区顺式作用元件分析暗示WAK基因在棉花中可能参与植物生长发育和胁迫响应。Dt02染色体上鉴定到一个7个基因紧密相连的WAK基因簇,该基因簇在二倍体棉种和5个异源四倍体棉种包括栽培种和野生种中均存在,且相对位置高度保守,推测该基因簇可能在棉花生长发育过程中发挥重要功能。(3)对基因簇内的7个WAK基因进行单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)数目统计和关联分析,发现Gh WAKL39与衣分性状高度相关。通过实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,q RT-PCR)技术检测到Gh WAKL39在纤维起始和发育期高度表达,在有纤维棉花徐selleck抑制剂州142纤维起始期的表达量显著高于徐州142无绒无絮突变体,表明Gh WAKL39可能参与调控棉花纤维发育。利用亚细胞定位实验,确定Gh WAKL39基因编码的蛋白质定位在细胞膜上。在拟南芥中异位表达Gh WAKL39显著增多其根毛、茎毛和表皮毛。基因敲除Gh WAKL39棉花的纤维突起和伸长受阻,衣分降低;在棉花中超量表达Gh WAKL39促进纤维突起和伸长,提高衣分。互作蛋白筛选,鉴定出Gh WAKL39基因编码蛋白质与蔗糖转运蛋白基因Gh SUT6编码蛋白质存在相互作用。异位表达拟南芥同样显著增多其根毛、茎毛和表皮毛,超量表达Gh SUT6棉花的纤维突起增多,纤维长度变长,衣分提高。互作机制解析,发现Gh WAKL39可以增强Gh SUT6的蔗糖转运活性。综上所Tezacaftor溶解度述,本研究发现WAK基因家族在绿色植物中的起源和进化,以及在棉属多倍体化过程中的进化轨迹。WAK基因功能多样化,参与植物生长发育和多种激素和非生物胁迫响应,同时可能参与调控棉花纤维发育过程。此外,Gh WAKL39可能通过激活蔗糖转运蛋白Gh SUT6的蔗糖转运活性,促进纤维起始和伸长,从而提高衣分。