一种改良棉花纤维品质的类WD40家族蛋白基因GoWD40L及其应用

本发明属于生物技术应用领域，涉及一种改良棉花纤维品质的类wd40家族蛋白基因gowd40l及其应用。

背景技术：

1、棉花是世界范围内重要的经济作物，棉纤维是天然纺织纤维，具有绿色，保暖，透气和穿着舒适的优势。异源四倍体栽培种陆地棉和海岛棉是两个主要的栽培种，它们起源于同一祖先，并被独立驯化。陆地棉产量高，适应性强，占世界棉花总产量的90％以上，而海岛棉的棉纤维更长，更细，更强，占世界棉花年产量的3％左右。与许多具有高产特性棉花品种相比，具有优质纤维的品种严重缺乏。因此，培育具有优质纤维和高产特性的优良品种，是满足现代纺织业和日益增长的人民健康的迫切需求。

2、全基因组关联分析(genome wide association study，gwas)是以群体中连锁不平衡为基础，利用覆盖全基因组的分子标记，进行全基因组表型和基因型的关联分析，定位影响性状的基因位点的一种研究策略，是用于研究复杂性状的一种有效方法。随着基因组测序技术和生物信息学的发展，gwas已被应用于棉花重要农艺性状的研究。ma等(2018)对419份陆地棉核心种质进行了重测序gwas分析，鉴定到7383个独立的snp(singlenucleotide polymorphism)和4820个候选基因与纤维性状显著关联。zhao等(2022)利用336份海岛棉种质发掘了与15个性状相关的6241个独立的snp，并进一步通过基因表达分析和vigs(virus-induced gene silencing)确定了与抗病性，纤维长度，纤维强度和衣分相关的5个候选基因。yu等(2021)利用240份海岛棉材料，通过gwas分析，发现了3个与纤维强度相关的候选基因gb_d11g3437,gb_d11g3460和gb_d11g3471，以及一个与衣分相关的候选基因gb_a07g1034。这些研究说明gwas凭借其定位精度高且一次可以定位多个性状的优势为棉花育种提供了优异的qtl和基因资源，大大加快了育种效率。

3、wd40蛋白，也被称为wd-repeat蛋白，由一个高度保守的特定wd40基序定义。植物中的wd40基因参与调控多个生化和发育途径，包括叶片表皮毛，根毛，花青素的生物合成，分生组织形成，幼苗和花发育等(salih et al，2018)。wd40蛋白广泛存在于真核生物，在多种生物过程中发挥着重要作用。ma等(2022)通过转录组分析表明ghwdr在各组织器官广泛表达，且在迅速伸长的纤维中高水平转录，说明其可能在棉花生长发育及纤维伸长调控中发挥作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种改良棉花纤维品质的类wd40家族蛋白基因gowd40l及其应用。基于两年两点海岛棉自然群体的纤维品质表型数据和blup值，结合每一材料全基因组重测序信息，使用3vmrmlm模型对五个纤维品质性状进行了基因型-表型全基因组关联分析，定位影响纤维品质性状的qtl。随后，提取了位于qtl内的候选基因编码区的重要变异进行局部关联分析检验，发现了一个重要的indel位点位于id号为gb_d03g0092的外显子区，造成了氨基酸序列的改变，产生两种不同的单倍型(单倍型1和单倍型2)。gb_d03g0092基因编码类wd40家族蛋白基因，命名为gowd40l。gowd40 l的不同单倍型之间品质性状的比较分析表明单倍型2较单倍型1在纤维长度、强度、马克隆值、整齐度及伸长率等纤维品质性状方面存在显著优势。

2、本发明的目的可通过如下技术方案实现：

3、第一方面，本发明请求保护一种类wd40家族蛋白基因gowd40l，该基因gowd40l存在两种单倍型，单倍型1的cds序列为seq id no.1；单倍型2的cds序列为seq id no.4。

4、进一步，单倍型2较单倍型1在cds序列的200bp处有一个核苷酸的缺失，并造成氨基酸翻译提前终止；关联分析结果表明，单倍型2较单倍型1在棉花品质性状方面存在优势。

5、研究表明，当单倍型2基因序列或其编码的蛋白质存在于棉花植株中时，所述等位基因或其蛋白质可促进棉花纤维长度、纤维比强度、纤维整齐度、纤维伸长率增加和马克隆值降低，说明该基因单倍型2在改良棉花纤维品质性状以及培育棉花优质新品种中具有重要作用和应用前景。

6、第二方面，本发明请求保护上述类wd40家族蛋白基因gowd40l编码的蛋白，所述类wd40家族蛋白基因gowd40l的单倍型1所编码蛋白的氨基酸序列如seq id no.3所示；所述类wd40家族蛋白基因gowd40l的单倍型2所编码蛋白的氨基酸序列如seq id no.6所示。

7、第三方面，本发明请求保护上述类wd40家族蛋白基因gowd40l的单倍型2及其编码蛋白在以下(1)或(2)中的应用：

8、(1)改良棉花纤维品质性状；

9、(2)在促进植物生长中的应用。

10、进一步，上述的应用中筛选携带类wd40家族蛋白基因gowd40l单倍型2的棉花种质材料育种应用改良棉花纤维品质性状，或者在棉花中过表达类wd40家族蛋白基因gowd40l单倍型2。

11、进一步，上述的应用中在拟南芥中过表达所述类wd40家族蛋白基因gowd40l的单倍型2，拟南芥中表现出比野生型更长的主根长，根细胞长度和下胚轴长度。

12、第四方面，本发明请求保护用于检测待测样品中类wd40家族蛋白基因gowd40l序列的试剂在筛选或鉴定具有优良纤维品质性状的棉花品种或培育高纤维品质棉花新品种中的应用；

13、所述的类wd40家族蛋白基因gowd40l存在两种单倍型，单倍型1的cds序列为seqid no.1；单倍型2的cds序列为seq id no.4；单倍型2较单倍型1在cds序列的200bp处有一个核苷酸的缺失位点，并造成氨基酸翻译提前终止；关联分析结果表明，单倍型2较单倍型1在棉花纤维品质性状方面存在优势。

14、进一步，上述的应用中包括在基因水平或/和蛋白水平进行检测。

15、进一步，上述的应用中携带类wd40家族蛋白基因gowd40l单倍型2的待测样品即为具有高纤维品质性状的棉花种质。

16、第五方面，本发明请求保护一种辅助筛选或鉴定棉花高纤维品质性状的方法，检测待测样品中上述类wd40家族蛋白基因gowd40l的序列，选择携带类wd40家族蛋白基因gowd40l单倍型2的待测样品即为具有高纤维品质性状的棉花种质。

17、本发明所述的棉花纤维品质性状为纤维长度、比强度、马克隆值、整齐度和伸长率等中的至少一种。

18、本发明技术方案的开发过程包括以下步骤：

19、1.选择海岛棉自然群体进行多年多点表型数据测定和处理。将海岛棉自然群体在多年多点条件下种植，调查纤维品质性状(纤维长度，纤维强度，马克隆值，纤维整齐度和纤维伸长率)，去除异常值，针对多年多点表型数据进行blup分析(最佳线性无偏预测)。

20、2.对海岛棉群体中的每个种质进行二代重测序(测序深度10×)，以海岛棉hai7124为参考基因组进行变异位点检测，获得基因型数据。基因型数据过滤的标准：缺失率大于0.1，次等位基因频率小于0.05的位点被移除。

21、3.结合表型数据和基因型数据进行关联分析，发掘与海岛棉纤维品质性状显著关联的位点。类wd40家族蛋白基因gowd40l的单倍型1的cds序列为seq id no.1，基因组序列为seq id no.2，其编码的氨基酸序列为seq id no.3。单倍型2的cds序列为seq id no.4，基因组序列为seq id no.5，其编码的氨基酸序列为seq id no.6。所述单倍型2较单倍型1在cds序列的200bp处有一个核苷酸的缺失，并造成编码的氨基酸翻译提前终止。gowd40l的不同单倍型之间品质性状的比较分析表明，单倍型2较单倍型1在纤维长度、强度、马克隆值、整齐度及伸长率方面存在优势。

22、4.本发明还构建了两个不同单倍型的过表达拟南芥转基因株系。相比于野生型(wt)，过表达单倍型2的拟南芥转基因株系表现出更长的主根长，根细胞长度和下胚轴长度，预示该单倍型其在棉纤维发育中的伸长作用。

23、本发明的优点表现在：

24、1.本发明通过棉花自然群体重测序和全基因组关联分析挖掘了一个与棉花纤维品质性状显著关联的类wd40家族蛋白基因gowd40l，对海岛棉群体进行10倍深度的重测序，鉴定出3780162个snp和449380个indel。高质量的基因型数据为关联分析位点的准确性提供了保证。

25、2.gowd40l在棉花不同组织器官的表达水平通过转录组分析获得。该基因在纤维发育的3天，5天和10天优势表达，表明该基因与纤维品质性状的密切关系。

26、3.根据gowd40l的不同indel基因型可以将群体分为两类，即单倍型1(c)和单倍型2(-)。通过统计学分析发现，不同单倍型对应的群体之间的纤维长度，纤维强度，马克隆值，纤维整齐度和纤维伸长率均存在显著差异，进一步证明该基因与棉花纤维品质性状之间的相关性。

27、4.相比于野生型(wt)，gowd40l的两个不同单倍型的过量表达转基因拟南芥株系表现出不同的差异，单倍型2的拟南芥转基因株系表现出更长的主根长，根细胞长度和下胚轴长度。