油菜素甾醇调控杨树应拉木形成作用机制的研究

Brassinosteroid (BR) is a kind of sterols plant endogenous hormones. Although considerable research has been conducted to better understand their physiological functions and metabolism involved with asymmetrical distribution of auxin and cellulose biosynthesis in model plant, the regulating mechanism in the tension wood formation are still unknown. In our previous study, exogenous BR could regulate tension wood formation in hybrid poplar based on the cell wall physiological, biochemical and physical characterization. Further study demonstrated the mechanism of BR in asymmetrical distribution of auxin, through the quantitative analysis of polar auxin concentration distribution, auxin polar transport capacity and transport gene PIN4 expression in slanted poplar of exerted exogenous BR. Moreover, the over-expression and knockout PtCYP85A3 of poplar mutants will be constructed. The physiological and biochemical characteristic, differential gene expression and interactions with PtCYP85A3 protein will be analyzed in transgenic PtCYP85A3 poplar mutants. As a consequence, the brassinosteroid regulation mechanism in tension wood formation of hybrid poplar are trying to reveal. The results of this project will supply a theoretic basis refer to the cultivation of high quality artificial forests and improving on wood quality and utilization.

油菜素甾醇是植物中甾醇类生长促进激素，其调控生长素不对称分布，参与纤维素合成的作用机制在模式植物中已大量研究，但在木本植物中是否参与应拉木形成及其作用机制尚不清楚。项目组通过对外源油菜素甾醇作用杨树应拉木细胞壁发育的生理生化和物理特性分析，表明外源油菜素甾醇对杨树应拉木形成具有调控作用。本研究在此基础上拟通过分析杨树应拉木中生长素的含量，运输活力以及运输蛋白PIN4的表达分布，明确油菜素甾醇对杨树应拉木生长素分布的作用机制，构建油菜素甾醇合成关键基因PtCYP85A3过量表达和基因敲除杨树突变体，分析转基因杨树生理生化特征，转录组差异表达基因以及差异表达基因与PtCYP85A3蛋白的互作关系，解析内源油菜素甾醇调控杨树应拉木形成的作用网络，探明油菜素甾醇调控杨树应拉木形成的作用机制。本项目研究结果将为培育优质人工杨树林和提高木材品质及利用率提供理论依据。

油菜素甾醇（BRs）是植物中甾醇类生长促进激素，在植物生长发育、形态建成、生殖育性、逆境抗性等方面发挥着重要作用。在模式植物的重力反应中，油菜素甾醇通过调节生长素不对称分布的形成，参与细胞壁纤维素纤维形态改变，进而促进植物弯曲生长，但在木本植物中是否参与应拉木形成及其作用机制尚不清楚。本项目利用外源表油菜素内酯（BL）作用人工倾斜杨树苗木，通过对杨树应拉木生长性状，显微特征，细胞壁生理生化特性，物理性质，转录组测序，细胞壁纤维素相关合成基因和生长素运输基因的表达测定分析，结果显示外施表油菜素内酯（BL）诱导杨树次生木质部纤维伸长，形成胶质纤维，胶质层增厚，纤维素含量增加， (1–4)-β-D-半乳糖和甘露糖在胶质纤维中聚集，细胞壁糖类化合物重新定位，微纤丝角变小；转录组测序结果显示BL处理后的差异表达基因大多富集在糖类代谢和植物激素信号转导等通路，其中涉及细胞壁纤维素和木质素合成代谢通路和生长素信号转导途径的主要基因；PtCesAs，PtFLAs，PtCOBRA基因的表达量显著增加，初步证实油菜素甾醇在杨树应拉木形成中具有重要作用。通过比较不同种类单一激素和混合激素处理对杨树应拉木形成的差异，结果显示表油菜素内酯（BL）与赤霉素（GA）协同促进杨树应拉木形成。通过构建油菜素甾醇合成关键基因PtCYP85A3过表达转基因杨树，已有研究报道证实过表达PtCYP85A3的转基因杨树倾斜后应拉木纤维胶质层显著增厚，纤维素含量显著增加，与应拉木相关的大部分PtCesAs和PtFLAs表达明显上调，BRs合成增强。结果证实油菜素甾醇具有调控杨树应拉木胶质纤维细胞壁形成的重要作用。本研究为深入研究植物激素在应拉木形成中作用机制，拓宽油菜素甾醇在木本植物的生物学功能，将为培育优质人工杨树林和提高木材品质及利用率提供理论依据。