多肽类植物激素TDIF影响植物维管形成层分裂与分化的分子机制研究

随着我国经济的快速发展和国际上对新能源、新材料开发的迫切需求，木质纤维素的研究和开发在近年来受到高度重视。树木是天然木质纤维素的主要来源，而木材的形成则源于维管形成层的分裂与分化。维管形成层的分裂与分化受各种植物激素共同调控，其中一类新发现的植物多肽激素TDIF在调控中起着极其重要的作用。.本项目延续前期对维管发育TDIF信号途径的研究，以拟南芥、杨树为模型，结合生物信息学、分子生物学和植物发育生物学的手段，通过维管植物TDIF多肽与其受体的结构预测和比较、低等维管植物TDIF在杨树和拟南芥中的表达及功能验证、拟南芥TDIF过量表达株系EMS诱变回复子的筛选与突变基因的鉴定、杨树TDIF同源基因表达与功能分析、以及杨树TDIF基因工程等，对维管植物TDIF的普遍性和保守性、杨树TDIF功能和TDIF转基因在树木育种中的应用等问题进行深入研究。本项目对揭示维管形成层发育分子机制具有重要意义。

TDIF-PXY/TDR-WOX4信号转导途径在维管形成层分裂和木质部分化过程中起着重要的调控作用。TDIF是一类植物CLE多肽激素，在维管组织韧皮部中表达，通过扩散方式进入维管形成层区域并与其受体PXY/TDR相结合，从而起到促进形成层细胞分裂，抑制木质部细胞分化的生物学功能。本项目通过拟南芥TDIF基因的同源搜索，在Phytozome数据库的33个物种中共找到了147个TDIF同源基因，这些TDIF同源基因共编码近40种不同的TDIF多肽。通过TDIF多肽的人工合成及其在拟南芥中的体外处理，我们发现来自于蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的TDIF多肽具有相似的生物学活性。低等维管植物江南卷柏TDIF同源基因在拟南芥中的遗传转化试验进一步证实了这一结果。在TDIF信号途径新成员的挖掘中，我们通过生物信息学的方法找到了一个和PXY/TDR具有较高共表达相关系数的LRR-RLK基因，该基因被命名为PXC1。研究结果显示拟南芥中PXC1基因的缺失能够造成维管组织中纤维细胞次生细胞壁形成的缺陷，该基因能够引起TDIF信号途径关键基因的表达。另外我们发现杨树中WUSCHEL的同源基因WOX4控制维管形成层细胞分裂的活性，并对TDIF基因起到正调控作用。TDIF的表达量增加能够促进木材产量提高。在以TDIF为目标基因的杨树基因工程研究中我们发现了柳枝稷中天然存在的含３个TDIF多肽基序的TDIF同源基因，目前以该基因为框架进行的杨树TDIF基序的替换和杨树的遗传转化已完成。本项目的开展推动了我们对植物维管形成层TDIF信号途径的功能及其保守性的认识，对建立使用植物多肽激素调节维管组织形态构建和木材形成的方法和体系具有重要指导意义。