杨树大型基因家族果胶甲酯酶的功能分化机制研究

Pectin methylesterases (PMEs; EC 3.1.1.11) are enzymes catalyzing the demethylesterification of cell wall polygalacturonans. By generating free carboxylic groups on pectins, the PMEs affect components of structural cell wall, and further regulate wood quality. Our previous study found that Populus contained 90 PME genes. However, Arabidopsis only contained 66 PME genes. This leads to two scientific questions: (1) How does the PME gene in poplar genome expand? What is the expansion mechanism? (2) Is there any differentiation between the functions of different copies among the PME genes expanded in poplar? What is the mechanism of differentiation? This project will focus on these two scientific issues. Combining methods of genomics, molecular biology and biochemistry, this project will study the distribution, tissue expression patterns and protein biochemical functions of Populus PME gene family. This project will reveal the molecular mechanism of conservation and diversity of forest tree gene family.

果胶甲酯酶（PME）能够部分去除果胶甲基化，从而增加细胞壁的韧性，调节木材品质。我们的前期研究发现杨树基组中含有90个PME基因，而草本模式植物拟南芥中有66个PME基因，那么：（1）杨树基因组中PME基因是如何扩张的？扩张机制是什么？（2）杨树扩张的PME基因中，不同拷贝间的功能是否有分化？分化的机制是什么？本项目将聚焦于这两个科学问题，结合基因组学、分子生物学和生物化学等分析手段，研究PME基因家族在杨树基因组中的分布规律、组织表达模式和蛋白质生化功能，从而阐明杨树PME基因家族的扩张机制，以及功能多样化形成的分子机理，最终揭示林木基因家族功能的保守性和多样性分化的分子机制。

果胶甲酯酶（PME）能够部分去除果胶甲基化，从而增加细胞壁的韧性，调节木材品质。本项目从杨树基因组中鉴定出78个PME基因，其中有65个编码的蛋白是碱性蛋白。PME家族基因在杨树的17条染色体上呈现明显的不均匀分布，大片段重复在杨树PME基因家族扩张的过程中发挥着重要作用。ML进化分析发现杨树PME基因被分为两个亚家族，其中Clade I亚家族包含24个杨树PME基因，Clade II亚家族包含54个杨树PME基因。在78个杨树PME基因中，有28个基因在所有检测的组织中都有表达，其余基因在检测的组织中选择性的表达。在杨树成簇分布的三个cluster中，基因簇内部成员的表达模式也发现了明显的分化。我们共克隆了52个杨树PME基因，对30个杨树PME蛋白进行了原核表达研究，发现只有PtPME6、PtPME18、PtPME24、PtPME32能够以可溶性的形式在大肠杆菌中表达，而其他的26个蛋白在大肠杆菌中均为包涵体形式表达。酶学性质研究发现PtPME6、PtPME18、PtPME24、PtPME32四个蛋白的酶学活性分别是12.78、40.07、9.23、23.06 mM/min per mg，四个蛋白的最适反应温度和最适反应pH值均有分化。蛋白质结构模建结果表明相同底物在PME亚家族的蛋白质上具有不同的结合模式。本项目本项目揭示杨树PME基因家族的扩张机制，以及功能多样化形成的分子机理。