柳枝稷miR156-targeted PvSPLs调控木质素合成的分子机制研究

Lignin is a crucial factor controlling plant growth and development. However, the presence of lignin in plant cell wall can negatively impact the utilization of lignocellulosic biomass. Switchgrass (Panicum virgatum L.) is C4 perennial tall grass which can provide substantial feedstock for biofuel production and cattle feed. SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE (SPL) transcription factor is a target of miR156. Our previous studies have shown that miR156-targeted PvSPLs were involved in lignin biosynthesis, whereas the regulation and molecular mechanism of these PvSPLs has yet to be investigated. Therefore, we propose here to address how the miR156-targeted PvSPLs regulate expression levels of lignin biosynthesis genes directly. Meanwhile, we try to characterize one to two protein factors that interact with PvSPLs and regulate the expression of lignin genes. Our work will elucidate a novel regulation mechanism of lignin biosynthesis mediated by miR156 targeted PvSPLs. The candidate PvSPL and its interacting partners can be used to improve the digestion of cell walls of bioenergy and forage crops. Moreover, our studies will open up new avenue for exploring the potential molecular mechanism that regulate both plant growth and lignin biosynthesis precisely.

木质素除了在植物正常生长发育过程中发挥重要功能外，还是细胞壁转化利用的关键影响因子。先前我们在重要能饲两用作物柳枝稷中发现，miR156靶基因PvSPLs表达水平的改变能够显著影响木质素的合成，然而其具体的调控机制尚不清楚。因此本项目拟鉴定能直接调控木质素合成关键酶基因表达的miR156-targeted PvSPLs转录因子的功能，并在此基础上筛选鉴定1-2个与该PvSPLs相互作用影响木质素关键酶基因表达的蛋白因子，研究其对柳枝稷木质素合成的影响。通过上述木质素合成调控新机制的解析，并结合先前改变PvSPL表达影响柳枝稷生物量的研究，有望将细胞壁品质与生物量两个重要性状的遗传改良通过PvSPL单个基因实现统一，从而不但促进高生物量高细胞壁转化利用的能源草和牧草等特色作物的遗传育种，还能够为植物生长发育与木质素合成之间的精准调控提供新思路。

木质素作为植物细胞壁的主要成分，虽然在植物生长发育过程中发挥重要功能，但木质素的存在严重制约了细胞壁的转化利用。之前的研究表明，miR156过表达后，转基因柳枝稷细胞壁中木质素含量下降，但其具体的分子机制并不清楚。通过本项目研究发现，对miR156靶基因SPL2、SPL4、SPL6进行RNAi后，不同转基因柳枝稷均表现出木质素降低、黄酮、花青苷累积、糖降解效率增加以及生物量增加等表型。转录激活、酵母单杂等实验证实，SPL2，SPL4均能在一定程度上激活木质素合成基因PAL、CAD以及F5H的表达，从而增加柳枝稷茎秆细胞壁中木质素的含量。而SPL6则可能通过促进开花调控柳枝稷生长发育进而影响茎秆细胞壁中木质素的含量。此外，研究发现SPL可能还参与了生长素、细胞分裂素、赤霉素以及独脚金内酯的合成以及信号转导途径并与其它miRNA形成调控网络，这些激素以及miRNA及其靶基因在一定程度上直接或间接影响柳枝稷细胞壁中木质素、黄酮以及花青苷等苯丙烷类成分的改变，而黄酮或花青苷的改变也间接影响柳枝稷茎秆细胞壁中木质素的含量。酵母双杂筛选到多个参与生长素、细胞分裂素合成以及细胞周期蛋白、MYB、SOK2等多个蛋白因子，这些蛋白因子与SPL相互作用，直接或间接调控柳枝稷木质素合成关键酶基因的表达。该项目的研究表明，miR156-SPL模型调控柳枝稷细胞壁中木质素等苯丙烷类物质合成是一个十分复杂的过程，既有直接调控，又有间接影响。然而该研究证实，调控SPL单个基因的表达有望实现细胞壁品质以及生物量两个重要性状的遗传改良，为实现植物生长发育与木质素合成的精准调控提供新思路。