多肽激素与生长素协同调控杨树维管形成层发育的分子机制研究

The activity of vascular cambium is the physiological basis of wood formation and has important influences on the yield and quality of wood. Peptide hormones play a key role in maintaining the division of cambium meristematic cells and regulating the differentiation of xylem cells. However, peptide hormones have not been widely explored in woody plants even that its functional conservatism and evolutionary difference between woody and herbaceous plants represent questions with great scientific innovativeness. This project intends to continue our previous study on poplar CLE signaling pathway and integrate bioinformatics, molecular genetics, biochemistry and transcriptome tools to functionally analyze and compare the six TDIF family members within poplar genome. Through in vitro peptide application, gene ectopic expression, knockout mutation, and comparative transcriptome analysis on transgenic materials, signal transduction pathways mediated by peptide hormones will be studied in-depth with focus on promoting poplar cambium activity and regulating the process of secondary growth. Meanwhile, we will analyze the synergetic action of peptide hormones with auxin to build up a better hormonal network responsible for the activity of vascular cambium. This project not only helps to further reveal the molecular mechanism of wood formation, but also lays a foundation for the use of genetic engineering to improve the yield and quality of wood.

维管形成层活动是林木木材形成的生理基础，对于木材的产量及品质均有重要影响。多肽激素在维持形成层分生细胞分裂及调控木质部细胞分化的过程中均发挥关键作用，但它们目前的功能研究尚未在木本植物中深入展开，它们在木本和草本植物之间的功能保守性以及进化学差异也是具有创新性的科学问题。本项目拟延续课题组前期对杨树CLE信号途径的研究，整合生物信息学、分子遗传学、生物化学和转录组学等手段，对杨树基因组中6个TDIF家族成员展开功能挖掘和对比。通过人工多肽体外添加、基因异位表达、林木敲除突变体构建、转基因材料的比较转录组分析等技术手段，深入研究多肽激素信号转导途径在促进杨树形成层活动和调控木材次生生长中的功能机制，并同步解析其与生长素的协同作用，从而更加完善地构建起激素调控维管形成层活性的分子网络。此项目不但有助于进一步揭示木材形成的分子机理，同时也会为利用基因工程手段定向改良木材产量和品质奠定基础。

多肽激素领域是植物科学的一门新兴学科，鉴定更多的多肽信号分子、研究多肽激素的信号转导通路，是林学和植物学研究的重要基础理论问题，也是研究植物分生组织细胞状态维持和分化的核心内容。在本项目中，我们从杨树基因组中共分离出六个TDIF基因，它们均进行了启动子克隆与遗传转化，确认了它们在不同维管发育阶段的组织和细胞表达特异性，以及对生长素的基本应答规律。之后，我们利用拟南芥突变体及标记株系等遗传资源，解析了每个PtTDIFs对包括根、茎、下胚轴等多维管组织发育产生的特异性影响。通过对植物内源生长素水平进行测定，并通过组织切片等显微技术确立形成层细胞活性和木质部分化程度。类似的工作同时在杨树中展开，基本梳理出了PtTDIFs基因在杨树维管系统发育过程中的功能，也进一步明确了PtTDIFs与生长素的协同作用机制。最重要的是，通过木本植物和草本植物之间的TDIF多肽活性和转基因表型对比，我们发现了与拟南芥中TDIF编码基因CLE41和CLE44具有的同基序、同表型、同功能的特征不同，杨树TDIF亚家族中的6个成员在调控维管发育功能方面表现出了不单纯依赖于CLE基序的特点。同时，不仅生长素的合成，代谢与运输在杨树TDIF多肽激素对维管形成层活性的调控过程中发挥着重要作用，TDIF途径同样也影响着生长素介导的植物生长发育过程，二者形成了深度反馈特征的互作关系。未来沿此思路继续深入挖掘，可能会深入揭示多激素协同调控形成层分生细胞分裂及分化机制，从而建立起一个完整的、维管形成层细胞分裂与分化的信号网络。