杨树LBD38基因在树干次生生长中功能的解析

LBD (Lateral organ Boundary Domain) genes encode a group of plant-specific transcription factors, which are key regulators in plant developmental processes such as organ formation and response to environmental changes. The Populus genome contain 57 LBD genes, however, the functional study of LBD genes are limited in Populus. Our preliminary transcriptome data showed that one of the LBD38 gene (designated as LBD38-33) has significantly higher expression in stem secondary phloem than secondary xylem. Here, we construct LBD38-33 transgenic mutant plants in Populus through 35S driven over-expression and CRISPR-mediated gene knockout. We will analyze the function of LBD38-33 in Populus in details, particularly focus on analyzing the effects of LBD38-33 on stem secondary growth; furthermore, we will investigate its downstream target genes through RNA-seq and ChIP-seq. Our results would expand our understanding of LBD proteins' function in plant development and their regulatory pathway, and provide more evidence for decoding the transcriptional network of plant secondary growth.

LBD（Lateral organ Boundary Domain）基因编码植物特有的一类转录因子，在植物器官发生及响应生长环境变化过程中发挥重要的调控作用。杨树基因组共包括57个LBD基因，但目前为止关于杨树LBD基因功能的研究还非常有限。我们前期的转录组分析发现其中的一个LBD38基因（以下命名为LBD38-33）在树干次生韧皮部的表达水平显著高于次生木质部。本项目将通过转基因构建35S启动子驱动的过量表达突变体和CRISPR基因编辑介导的缺失突变体，系统分析LBD38-33在杨树生长发育中的功能，并重点分析LBD38-33对杨树树干次生生长的影响；另外，本项目将通过RNA-seq和ChIP-seq方法获得LBD38-33调控的下游基因。研究结果将拓展人们对LBD基因家族功能和调控途径的认知，并为进一步揭示次生生长转录调控网络提供支持。

次生生长是木材形成的生物学基础，但是多年生林木中的次生生长调控网络还非常不清楚。本项目首先通过分析杨树全基因组转录因子在茎次生木质部和次生韧皮部的表达水平发掘次生生长潜在的重要调控因子，然后克隆了PagLBD1a基因并构建35S启动子驱动表达的PagLBD1a过量表达和显性抑制转基因植株。获得转基因植株后通过表型分析发现，PagLBD1a过量表达使茎变粗，而且次生韧皮部/次生木质部比例增加；与之相反的，PagLBD1a显性抑制使茎变细，次生韧皮部/次生木质部比例降低，以上结果表明PagLBD1a基因在次生形成层细胞的分裂和分化过程中发挥调控作用。通过转录组测序（RNA-seq）和DNA亲合纯化测序（DAP-seq）解析PagLBD1a调控基因并获得1756个直接调控的靶基因。与表型分析结果一致的是，GO分析发现PagLBD1a上调的基因富集分生组织发育、器官边界形成、以及多种激素合成和信号传递途径的基因，而PagLBD1a下调的基因则富集木质部分化和细胞壁合成相关的基因，并且许多已知的次生生长核心调控基因都被发现是PagLBD1a的直接调控靶基因（例如PXY、WOX4、SND1-B2、VND6-B1等）。以上结果表明PagLBD1a基因与其下游调控基因构成了调控次生生长不同发育阶段的复杂调控网络。我们还用同样的方法克隆并解析了PagNAC083-6基因在杨树茎次生生长中的功能。PagNAC083-6过量表达和显性抑制转基因植株表型分析证明PagNAC083-6抑制次生细胞壁的合成，通过RNA-seq和DAP-seq分析证明大量PagNAC083-6调控的直接靶基因参与了次生细胞壁合成的调控过程。另外，为解析逆境条件对杨树次生生长的影响，更有效地发掘次生生长调控基因，我们还分析对杨树进行了多种盐处理并对杨树茎转录组在此过程中的变化，通过共表达分析揭示重要的基因响应模块和枢纽基因，为后续研究提供新的切入点。在本项目的资助下，我们已发表1篇SCI论文，另有2篇SCI论文正在审稿或投稿过程中。