杨树细胞壁多糖与木质素消长关系机理研究

Tree's cell wall structure and composition determined the wood quality and utilities. It is important and necessary to study the fine structures of cell walls of trees, to reveal the relationship between cell wall polysaccharides and lignin. Based on the previous accumulated 7-year-old lignin down-regulated transgenic poplar trees, this proposal would aim to study:(1) anatomic and ultra-structures of lignified shoots and woods, by means of microscopic and scan electronic microscopic techniques, to clarify the structural differences; (2) the cell wall structural lignin contents and composition (S/G ratio), polysaccharides (cellulose, hemicellulose and pectin) contents and composition, by means of GC-MS and HPLC-MSn instrumentation, to elucidate the relationships between the lignin and polysaccharides in the cell wall structures; (3) comparative gene expression and transcriptomic studies, by means of microarray and bioinformatics, to bridge a molecular pathway between lignin and polysaccharides metabolism. The estimated achievements could provide the theoretical bases for molecular manipulation of cell wall structures and technological guidance for directional molecular-design breeding and improvement of trees.

树木细胞壁的结构与组成是决定着木材材质与用途的主要因素，解析杨树细胞壁多糖的精细结构以及阐明细胞壁结构多糖与木质素消长关系的机理十分必要。本研究拟以实验室前期研究积累的7年生木质素含量下调的杨树和对照杨树为材料，（1）利用光镜和扫描电镜观测其木质化组织的显微与超微结构；（2）结合化学法与GC/MS、HPLC/MSn技术分析木质素含量/组成（S/G比值）变化所导致的细胞壁主要组分的消长关系、以及细胞壁多糖中半纤维素和果胶精细结构的变化规律；（3）对7年生对照和木质素含量下调的杨树木质化组织采样进行基因表达谱芯片分析，鉴定木质素合成变化引起的纤维素、半纤维素和果胶生物合成与降解过程中的若干关键酶基因；并通过酶学实验进行功能验证，以期揭示杨树细胞壁多糖与木质素消长关系的分子机制，为分子设计调控植物细胞壁的结构与组成，定向改良树木生长与木材材性提供理论参考。

树木细胞壁的结构与组成是决定着木材材质与用途的主要因素，解析杨树细胞壁多糖的精细结构以及阐明细胞壁结构多糖与木质素消长关系的机理十分必要。项目以野生型和转毛白杨4CL1 基因杨木为研究对象，利用荧光显微镜和扫描电子显微镜观察分析木材细胞形态，结果显示下调4CL1基因的植株中纤维细胞壁厚度都有所下降，导管分子有不停程度的塌陷；纤维细胞和木射线细胞形态上没有明显差异，导管均为纹孔型导管，未发现侵填体。利用化学分析法测定木材细胞壁各组分含量。木材细胞壁单糖组分分析显示，在下调4CL1基因的植株中高甲酯化的碱性果胶含量与对照相比有显著升高，在果胶组分中以木糖、阿拉伯糖和葡萄糖含量对多，其中L-阿拉伯糖和D-木糖为差向异构体。在下调4CL1基因的植株中果胶组分里的木糖含量有不同程度的下降，相应的阿拉伯糖有不同程度上升。果胶中木糖的变化趋势也与木质素变化趋势一致，说明在细胞壁形成过程中木糖可能存在与木质素的连接。在半纤维素的含量中也变现为抑制4CL1基因表达半纤维素含量升高，这可能是4CL1基因在改变植物细胞生物质的转化方向中起到一定的作用。研究发现，调控4CL1基因的表达不仅改变了木质素总量，同时也改变了木质素单体含量。在下调4CL1基因的植株中G型木质素含量有所升高，导致S:G比值与对照相比降低。结合基因芯片分析数据，对肉桂醇脱氢酶(CAD), 肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)，木葡聚糖转移酶(XTH)等酶的活性进行了研究，为分子设计调控植物细胞壁的结构与组成，定向改良树木生长与木材材性提供理论参考。