杨树保卫细胞特异表达转录因子PtoGCSG调控保卫细胞细胞壁合成的分子机制鉴定

Stomatal guard cells regulate the exchange of gases and water vapor between the external environment and the interior of the plant, which play a key role in utilization efficiency of water resources and the productivity of agriculture. Although it has been proposed that the unique mechanical properties of guard cell walls facilitate stomatal movements, the genetic evidence for the importance of cellulose and matrix polysaccharides in stomatal function is still lacking. Our study showed that transcription factor PtoGCSG, Guard Cell Specific Gene from Populus tomentosa, highly expressed in guard cells and possibly regulated the synthesis of wall matrix polysaccharides in guard cell. RNA interference-mediated reduction of PtoGCSG affected the synthesis of pectin and xylan polysaccharides in guard cell walls, as demonstrated by the altered galacturonic acid, xylose, rhamnose and arabinose composition in epidermal strips of leaves. Here, we will characterize the function of PtoGCSG, identify the target genes and the interaction proteins, elucidating the molecular mechanism of how PtoGCSG regulate the synthesis of guard cell wall and stomatal function. This work will provide new understanding of the effect of guard cell wall on stomatal function and new approaches in genetic improvement of stress tolerance in plant.

植物气孔运动主导水分蒸腾和CO2吸入，与农业生产密切相关。尽管保卫细胞壁特性是保证气孔有效开关的决定因素之一，但目前有关保卫细胞壁影响气孔运动的分子遗传机制仍不清楚。我们在前期杨树细胞壁转录调控研究中，发现一个在保卫细胞特异表达的转录因子，命名为Guard Cell Specific Gene (PtoGCSG)。由于其同源基因参与细胞壁合成，我们创制了RNAi株系。分析显示RNAi株系叶片表皮细胞中鼠李糖、阿拉伯糖、木糖和半乳糖醛酸等几种单糖组分含量改变。我们推测PtoGCSG调控细胞壁果胶和木聚多糖合成，从而影响保卫细胞壁动力学特性和气孔运动。本项目以此为切入点，通过深入分析转基因株系气孔功能和保卫细胞壁特性变化，鉴定PtoGCSG下游靶标基因和互作蛋白，揭示PtoGCSG调控保卫细胞壁合成和气孔运动的分子机制，阐明PtoGCSG分子调控网络，为改良植物气孔运动特性奠定理论基础。

气孔是水分蒸腾和二氧化碳进入植物体的门户通道。气孔运动是地球碳、水循环的重要组成部分，与植物水利用和农业生产密切相关。保卫细胞细胞壁组成和修饰特性是影响气孔有效开关的决定因素之一，目前已报道的相关基因包括拟南芥的果胶甲酯酶PME6（Amsbury et al., 2016）、果胶盐裂解酶PLL12（Chen et al., 2021）和同聚半乳糖醛酸酶PGX3（Rui et al., 2017）。但其中的转录调控机制仍不清楚。我们在前期杨树细胞壁转录调控研究中，在毛白杨中发现一个在保卫细胞特异表达的转录因子，为毛果杨PtrMYB156的直系同源基因，命名为Guard Cell Specific Gene (GCSG)。本研究以此为切入点，通过分子遗传学、分子生物学、生物化学和生物物理学等方法，鉴定了杨树GCSG转录因子在维持气孔运动功能中的作用和相关的分子调控通路。GCSG改变保卫细胞壁极点区域果胶甲酯化程度和细胞壁硬度，进而调节气孔运动功能。与野生型相比，杨树GCSG突变体株系保卫细胞壁的两个极点处去甲酯化果胶的含量和细胞壁强度显著增加；GCSG过量表达株系中两个极点处去甲酯化果胶的含量和细胞壁强度显著降低；非极点处去甲酯化果胶的含量无明显变化。突变体株系气孔响应ABA、Mannitol、干旱缺水胁迫和CO2浓度的变化的能力增强，气孔运动幅度增加。过量表达GCSG基因，严重影响了气孔的运动功能，造成气孔运动能力受损。在相关刺激因子（如ABA、Mannitol、干旱缺水胁迫和CO2浓度等）改变后，气孔运动能力较野生型显著减弱。GCSG通过与果胶甲酯酶PME6启动子区域的AC-III元件结合，负调控果胶甲酯酶PME6的表达。本研究表明转录因子GCSG通过调节保卫细胞壁果胶甲酯化程度，控制气孔运动。研究揭示了转录调控和保卫细胞壁极点处细胞壁组成和动态变化在调节气孔运动能力中的关键作用；为创制高效水资源利用效率的植物新种质奠定了基础。