参与杨树木材形成的关键NAC转录因子的功能分析

林木是纤维生物质的重要来源，不仅可以作为生物质能源的重要原料，也是板材和造纸工业的重要原材料。目前，纤维生物质（木材）形成的分子调控机制尚不十分清晰，在很大程度上制约了林木纤维生物质高效开发和利用的进程。木材的形成主要受基因表达水平的调控，NAC(NAM, ATAF1/2, CUC2)是一类植物特异的转录因子，在植物的次生细胞壁形成中发挥着重要调控作用。本项目拟克隆并功能鉴定参与调控杨树纤维生物质形成的NAC转录因子，在杨树中过量表达或显性抑制(dominant repression)关键的NAC转录因子，揭示其在杨树纤维生物质合成过程中的作用；并通过ChIP-seq技术在全基因组水平上分析关键NAC转录因子与DNA的结合位点，解析其作用方式和基因调控网络，这将为进一步从转录水平阐明杨树纤维生物质合成的分子调控机制，并通过基因工程手段定向改良能源杨树的纤维生物质性状提供理论依据和技术支持。

林木是纤维生物质的重要来源，不仅可以作为生物质能源的重要原料，也是板材和造纸工业的重要原材料。木材的形成主要受基因表达水平的调控，其中NAC转录因子基因家族中的一些成员在次生细胞壁形成中发挥着重要调控作用。首先在基因组水平上对杨树NAC基因家族进行了深入分析，鉴定出163个NAC转录因子，对其分子进化、染色体定位、基因结构、保守的蛋白基序和表达谱等方面进行了分析，通过比较基因组学并结合生物信息学手段筛选到16个在杨树次生木质部中高量表达的NAC转录因子，表明其可能参与调控杨树纤维生物质形成的调控。重点针对PNAC127和PNAC128的基因功能进行深入解析。通过原位杂交分析发现PNAC127和PNAC128 均在形成层和次生木质部中强烈表达。通过酵母转录激活实验证明，PNAC127和PNAC128均具有转录激活活性，且其转录激活域位于C端。二者均定位于细胞核。PNAC127和PNAC128均调控次生细胞壁的形成，其过量表达后次生细胞壁异常加厚，生物量显著提高，但纤维素和半纤维素含量显著提高，木质素含量无显著变化。此外，过表达植株的叶片衰老提前。通过CRES-T技术将PNAC127和PNAC128显性抑制后，转基因拟南芥和杨树的生长受到明显抑制，维管和束间纤维的次生细胞壁变薄。通过RNA-seq分析PNAC127过量表达转基因杨树的基因表达谱，结果表明，与野生型相比，分别有365和298个基因表达量上调和下调，对差异基因进行了GO注释和KEGG信号通路分析，发现5条显著富集的信号通路，涉及激素信号转导、糖基化和碳代谢等途径。以上结果表明PNAC127和PNAC128在次生细胞壁的形成中发挥着重要调控作用。除此之外，对NAC下游的另外三类转录因子（HD-ZIP、CCCH和WRKY）进行了系统分析，包括基因结构、染色体定位、蛋白结构域以及基因表达谱等，筛选到一批在次生木质部中特异表达的转录因子。. 在本项目实施过程中，国外两个研究组发表了相关的研究成果，对我们的研究造成一定的冲击，但在课题组老师和同学们的努力下，我们及时调整了研究方向，完成了课题的预期目标。目前已在国内学术期刊发表论文6篇，其中SCI收录5篇，参编专著2部。在本项目的研究工作基础上，本人中标国家自然科学基金面上项目（31370328），并由助研晋升为副研，培养了2名博士研究生和2名硕士研究生。