生长调节因子PtGRF10参与杨树次生生长调控的机理研究

Secondary growth is one of the basic molecular processes for wood formation. The regulations on the secondary growth were dynamic, complex processes, which were still elusive in woody plants. Growth-Regulating Factors (GRFs) have been shown to be involved in various developmental events, such as leaf development, stem elongation, root growth, and meristem zone size control, demonstrating important roles in growth regulation. Based on expression analyses of GRF genes during the regenerating secondary vascular system in Populus, PtGRF10 is significantly upregulated in the cambium formation stage, indicating the function in secondary growth. In this study, we aim to characterize the molecular mechanism of PtGRF10 in regulating secondary growth. The proposed studies include: 1) generate PtGRF10mt (with mutations in the miR396 target site) and PtGRF10-SRDX transgenic plants to elucidate the biological functions of PtGRF10; 2) identify targeted genes via RNA-seq and ChIP-seq analyses; 3) elucidate the effects of various hormones on PtGRF10 pathway. The achievements of this research will extend our understanding on secondary growth regulation and provide molecular basis and candidate gene for genetic improvement breeding on fast growing and high quality.

木本植物的次生生长是木材形成的基础，次生生长的调控是高度复杂的动态过程，对其机制的解析仍需大量深入的工作。生长调节因子（Growth-Regulating Factor, GRF）调控植物茎、叶以及分生组织等的发育，在生长调节中发挥重要作用，但其在木本植物生长发育尤其是次生生长中的作用还不清楚。基于杨树次生维管再生系统，我们发现，PtGRF10在形成层形成期非常活跃，表明它可能在次生生长过程中发挥重要作用。本项目拟通过创制PtGRF10过表达与下调表达等转基因材料，明确其在次生生长过程中的生物学效应；通过RNA-seq和ChIP-seq分析等，揭示PtGRF10调控的下游靶基因；通过激素处理，探索PtGRF10通路与激素的关系，最终系统解析PtGRF10所介导的信号通路，阐明PtGRF10调控次生生长的分子机制。这些研究将为林木速生优质遗传改良提供理论基础与候选基因。

木材的形成来源于木本植物次生生长中不断积累的木质部。而木本植物的次生生长受严格复杂的调控，目前调控机制仍不清楚。生长调节因子GRF被报道参与植物根、茎、叶、花、果实和种子的发育调控，是植物初生生长的关键调控基因之一。基于GRF在初生生长中的作用，推测其同样参与木本植物次生生长的调控。本研究利用分子生物学、细胞生物学及生物化学研究手段与方法系统研究了杨树GRF10、GRF12a及GRF潜在下游调控基因KNAT2/6b调控次生生长的作用机制。GRF10主要在形成层区域高表达，而GRF12a与KNAT2/6b主要在木质部表达。表型观察以及组织解剖学研究发现GRF10过表达杨树叶片变大、次生木质部宽度显著增加；GRF12a过表达杨树次生木质部宽度显著降低；KNAT2/6b过表达杨树次生木质部与胸径的比值显著降低、次生壁变薄，它们的显性抑制或反义抑制杨树在以上方面表现相反，表明GRF10、GRF12a、KNAT2/6b均调控次生木质部的发育。随后，通过差异基因表达分析、RNA-seq、ChIP-seq、瞬时转录激活、ChIP-PCR以及EMSA等实验，发现GRF10可以通过抑制CLE41-PXY-WOX4通路基因的表达、促进赤霉素信号转导通路基因GID1.3的表达调控形成层细胞的分裂分化，最终影响次生生长；GRF10还可以通过调控细胞扩展基因EXPA11a影响叶片大小，参与器官大小的控制；GRF12a通过调控XND1a参与次生木质部的发育；而KNAT2/6b则通过调控XND1a参与次生木质部分化与次生壁合成的调控。这些研究首次明确了GRF及其调控基因在木本植物次生生长中的作用，揭示了GRF调控次生维管组织发育的机制，为林木速生优质遗传改良提供了理论基础与候选基因。通过项目的实施，发表文章3篇，申请专利1项，培养研究生2名。