棉纤维是世界上重要的纺织原料。纤维细胞是由胚珠外表皮细胞分化而来的不分枝的单细胞毛状突起，其生长发育可分为四个发育阶段：纤维起始、伸长、次生壁合成及脱水成熟。棉纤维细胞发育的分子机制研究一直备受关注，近年来已经分离克隆了大量纤维发育相关基因，并对其中一些基因的功能进行了较为深入的研究。但是，有关纤维发育过程中水分运输及其调控机制的研究，仍较少有报道。水孔蛋白是存在于生物膜上的一类古老的通道蛋白，介导水分快速跨膜运输，在植物整个生长发育和环境应答过程中都起着重要作用。为研究水孔蛋白在棉花中的功能，尤其是在棉纤维细胞发育及逆境应答过程中的作用，我们从棉花中分离克隆了10多个水孔蛋白基因（包括12个质膜内在蛋白基因和1个液泡膜内在蛋白基因），并对这些基因的结构、表达调控及其编码蛋白的活性、细胞亚定位和功能进行了研究。取得如下研究结果： 1.从棉花cDNA文库中分离克隆了12个编码质膜内在蛋白基因的cDNA，通过序列比较和进化分析发现其中4个属于PIP1亚类基因，依次命名为GhPIP1；1，GhPIP1；3，GhPIP1；4GhPIP1；5；另外8个属于PIP2亚类，依次以GhPIP2；1～GhPIP2；8命名。同时，利用PCR技术，从棉花基因组中克隆了7个GhPIP基因的全长序列，与cDNA序列比较分析发现，其中5个基因（GhPIP1；5，GhPIP2；3，GhPIP2；4，GhPIP2；7，GhPIP2；8）由4个外显子和3个内含子组成，而GhPIP1；3和GhPIP2；6基因只含有2个内含子。所有基因的内含子插入的位置高度保守。 2.蛋白活性检测发现，所检测的9个GhPIP蛋白都具有水通道活性，其中3个GhPIP1蛋白的活性较低，而GhPIP2都具有较高的活性。GhPIP2；3和GhPIP2；4活性最高，它们都对汞离子敏感。 3.利用GFP荧光蛋白共定位技术研究了GhPIP蛋白的细胞亚定位。构建了GhPIP1；4和GhPIP2；4基因与eGFP的融合表达载体并转化棉花，获得表达GFP荧光蛋白的转化愈伤组织，激光共聚焦显微镜观察表明，这两个蛋白均定位在细胞质膜上。 4.GhPIP基因在棉花中的表达具有组织差异性，其中4个基因（GhPIP2；3～GhPIP2；6）在纤维中优势表达，并受纤维发育调控，其转录产物主要集中在伸长期的棉纤维中。利用水孔蛋白的活性抑制剂--HgCl2处理棉花离体胚发现，HgCl2能显著抑制纤维细胞的伸长，纤维长度明显下降；而用HgCl2和HgCl2的抑制剂--β-巯基乙醇同时处理棉花离体胚，纤维长度比HgCl2单独处理时有所恢复。另外，在酵母中异源表达GhPIP2；3等基因能促使宿主细胞异常的纵向伸长，细胞长度是对照的1.30～2.18倍。以上结果表明，GhPIP2；3等4个GhPIP2基因在棉纤维伸长过程中起重要作用。 5.GhPIP1；3基因在6～15 DPA胚珠中特异表达，在9 DPA胚珠中表达量达到最大值。开花后6～15天是胚珠质量增长的对数期，这表明GhPIP1；3可能在棉花胚珠快速增长的过程中起作用。利用分子克隆技术和农杆菌介导的植物转基因技术，构建了GhPIP1；3基因的RNAi载体并转化棉花，目前已得到了来自5个胚细胞系的13棵转基因棉花植株，有关分析正在进行中。 6.除上述5个基因以及GhPIP2；7外，其余6个GhPIP基因均在根中优势表达。Northern杂交和实时定量RT-PCR结果显示GhPIP1；1，GhPIP2；1，GhPIP2；2主要在幼嫩的根（3天）中表达，而在较成熟的根中（6～14天），其表达量显著下降；另外，这3个基因在不同胁迫处理，如盐、冷和PEG等胁迫处理条件下，其表达发生显著的上调或下调，同时其表达量还与胁迫的程度有关，表明这3个基因可能参与根的发育并与棉花的逆境应答反应有关。 7.GhTIP1；1是从棉花中分离的一个冷诱导上调的基因，它编码的蛋白具有水通道活性。GhTIP1；1：eGFP共定位检测证明该蛋白存在于液泡膜上。在酵母中异源表达GhTIP1；1基因能明显增强酵母细胞的冷耐受性，表明该基因可能参与了细胞的冷胁迫应答反应。