棉花纤维素合酶CesA的Cryo-EM结构和功能解析
批准号:
32172071
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
涂礼莉
依托单位:
学科分类:
作物育种学
结题年份:
2025
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
覃元、张襄南、乔露、邵磊、门舍、张娜
中文摘要
我国常年种植棉花5000万亩,产值逾千亿,事关国计民生。我国棉花遗传资源狭窄,优质纤维缺乏造成高端棉织品竞争力不强是我国棉花生产的主要问题。棉纤维中纤维素含量约95%,纤维素是决定棉纤维品质的关键因素。纤维素合酶CesA及纤维素合酶复合体CSC的功能解析是棉花纤维品质改良的理论基础。本实验室鉴定了CesA家族基因序列,解析了次生壁合成相关的GhCesA7同源三聚Cryo-EM结构,构建了CesA家族的CRISPR/Cas9饱和棉花突变体库,发现GhCesA7的CRISPR/Cas9突变体纤维变长变细。将在已有的研究基础上,通过CesA单突双突等棉花突变体详细解析CesA家族成员的生物学功能,通过鉴定CesA启动子顺式作用元件和与之作用的转录因子阐明CesA表达调控机制,并结合结构生物学解析CSC的结构。为棉花纤维优质育种提供理论指导和优质资源,回答纤维素合成生化机制这个基本生物学问题。
英文摘要
There are more than 300 million hectares of cotton grown in China all the year round, with an output value of more than 100 billion, which is related to the national economy and people's livelihood. Cotton is an exotic species. The cotton genetic resources are narrow in China, and international competitiveness of high-end cotton fabrics is not strong due to lack of high-quality fibers, which is the main problem of our cotton production. Cellulose is the main component of cotton fiber and a key factor in determining the quality of cotton fiber. The functional analysis of cellulose synthase CesA and cellulose synthase complex CSC is the theoretical basis for cotton fiber quality improvement. We have identified CesA gene family members, elucidated the homotrimeric structure of GhCesA7 involved in secondary wall synthesis, developed a CRISPR/Cas9 saturated cotton mutant library of the CesA family, and found that the CRISPR/Cas9 mutants of GhCesA7 have longer finer fibers. Based on the research progress, this study will analyze the biological functions of CesA family members in detail through cotton CesA single/double mutants, clarify the mechanism of expression regulation of CesAs by identifying the cis-acting elements of the CesAs’ promoter and the transcription factors that interact with the elements, and analyze the Cryo-EM structure of CSC. We hope these results will provide a theoretical guidance and materials for cotton fiber quality breeding, and answer the basic biological question of the biochemical mechanism of cellulose synthesis.
本项目体外表达共表达GhCesA4,GhCesA7和GhCesA8,证明了三者之间的互作,很难分离纯化到可以解析结构的CSC蛋白量,且体外组装蛋白不符合预期,因而回归棉花纤维本身,将继续探索优化CesA的原位提取。随着生物物理学的发展,冷冻电镜技术中原位结构解析,除了原位提取蛋白的结构解析,还有cryo-ET,对植物进行冷冻高压和超薄切片,通过荧光定位,光电联用,直接在细胞原位进行蛋白结构的解析。利用CRISPR/Cas9技术精准敲除了次生壁纤维素合成酶基因家族成员(GhCesA4,GhCesA7和GhCesA8),获得了纤维长度显著增加、细度优化的突变体材料(Plant Biotechnol J, 2025)。克隆了GhCesA4,GhCesA7和GhCesA8的启动子,并在项目执行过程中系统开展了棉花纤维发育转换期的转录调控,解析了棉花纤维发育“转换期”的关键转录因子GhMYB4,以及调控GhCesA4,GhCesA7和GhCesA8表达的转录因子调控网络(Developmental Cell, 2025)。已有研究表明棉花细胞壁松弛蛋白expansin 通过打开纤维素等多糖氢键而促进细胞壁的扩展,我们的研究结果扩展了已有的认知,发现EXLA1静电力作用结合果胶,进而促进初生壁的松弛(Plant Physiology, 2026)。利用棉花自然群体通过多组学(基因组、转录组、多糖组及代谢组)进行棉纤维品质形成机制解析,发现次生壁的合成(纤维素)与纤维品质负相关(New Phytologist, 2025)。构建了涵盖棉花纤维全发育周期的转录调控网络,并发表了棉花纤维发育转录因子调控网络与纤维品质改良的综述文章 (中国科学,2026)。在课题完成过程中创制优质棉花新材料3份,申请发明专利 2项,培养研究生4名,研究结果作为主要结果之一获得湖北省自然科学奖一等奖1项(2024)。
棉花纤维素合酶CesA的Cryo-EM结构和功能解析
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:59万元
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批准年份:2021
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负责人:涂礼莉
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依托单位:
细胞壁蛋白GbEXPATR结构解析及棉纤维细胞壁属性与纤维品质相关性探究
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批准号:31671739
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2016
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负责人:涂礼莉
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依托单位:
类黄酮影响棉花纤维发育机理及棕色纤维色素形成探究
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批准号:31471540
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项目类别:面上项目
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资助金额:88.0万元
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批准年份:2014
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负责人:涂礼莉
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依托单位:
棉花纤维发育不同时期特异/优势启动子的克隆与验证
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批准号:31071465
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项目类别:面上项目
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资助金额:33.0万元
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批准年份:2010
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负责人:涂礼莉
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依托单位:
海岛棉纤维伸长相关expansin基因的功能验证及启动子分析
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批准号:30871560
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项目类别:面上项目
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资助金额:36.0万元
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批准年份:2008
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负责人:涂礼莉
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依托单位:
国内基金
海外基金