钙调素调控杨树木质部发育的机制研究

认识木质部发育的调控机制，是改良木材产量和品质的基础，已有研究表明，Ca2+影响管状分子分化以及树木木质部的发育。本研究以杨树、转基因杨树（钙调素、Ca2+依赖的DNase）为材料，采用多种Ca2+通道阻断剂和Ca2+螯合剂，在木质部细胞不同的分化时期进行处理，检测Ca2+浓度和分布变化与细胞分化（次生壁的沉积及程序化死亡）的关系,及其导致的对木质部发育的影响大小。分析钙调素不同水平介导Ca2+对木质部细胞分化的影响（细胞形态变化和程序化死亡的形态与生化变化），揭示钙调素时空分布与细胞程序化死亡和次生壁沉积的空间和时间关系，确定钙调素介导Ca2+是影响细胞分化过程中次生壁的形成还是程序化死亡。确定Ca2+依赖型DNase在细胞程序化死亡过程中的作用，以上研究将揭示钙调素对木材发育的调控机制。

木本植物的主要产品是木材，揭示木材形成的分子基础研究对于调控木材的产量、质量具有重要意义。本项目拟以钙调素（CaM）为切入点，从钙信号对木本植物木质部分化的影响着手，了解钙调素对木质部的影响和作用机制，并对木质部分化过程中依赖于钙离子的核酸酶（PtCDD）在细胞程序化死亡中的作用进行解析，以深入了解木质部分化的调控机制。.首先，分析了杨树CaM在木本植物次生生长中的作用。过表达CaM转基因植株茎直径显著变细，转基因植株形成层层数、木质部细胞层数均少于非转基因对照植株。其次，通过烟草病毒诱导基因沉默系统（VIGS）对烟草钙调素进行了功能分析，发现沉默植株次生生长增多，且木质部发达。这预示CaM下调后可能促进维管组织的分化，出现了与杨树中过表达CaM基因相反的表型。下游基因的表达分析结果显示，钙调素可能通过与生长素、细胞分裂素等信号途径互作，调控木质部分化。.项目的研究重点是解析木质部分化所涉及的细胞程序化死亡。我们进一步鉴定了杨树参与该过程的钙离子依赖的核酸酶（PtCDD），其在维管组织中特异表达，并且可以诱导细胞的程序化死亡。过表达PtCDD转基因杨树可以诱导次生木质部分化，特别是导管的形成。GA处理的杨树获得了类似的木质部分化结果，而且两者调控相同的下游与木质部分化及次生壁合成的相关基因。因此，不同于以前认为导管分化过程的PCD由Zn2+依赖的核酸酶来执行。本研究说明木本植物的木质化过程与离体培育的单细胞导管分化有着本质的区别，PtCDD具有诱导木质部分化的作用。本研究还初步揭示其与细胞分裂素存在互作，并启动类似的下游基因来促进木质部细胞分化和木材形成。