杨树tubulin基因调控木材材性的分子机制

Cortical microtubules comprise of polymers of α- (TUA) and β-tubulin (TUB), which are plant specialized cytoskeletal structures critical for the regulation of cell wall biogenesis, whose function relies on the proposed role of microtubules governing the orientation of cellulose microfibrils during deposition, thus effecting wood properties such as MFA. However, the molecular underpinnings have yet to be explored in woody plants, which have abundance of secondary cell walls. In our previous study, we have identified 8 TUAs and 21 TUBs in Populus genome. Among them, PeTUA1 is highly expressed in secondary xylem (wood) as well as in tension wood (more abundance with cellulose). Furthermore, different PTM PeTUA1 isoforms located at different developmental stages during secondary cell wall deposition in Populus. Based on our previous data, we propose to characterize the biological function of PeTUA1 gene and its PTM during secondary cell wall biosynthesis in poplar. Genetic, biochemistry and molecular biology approaches will be employed as well as tension wood induction system and single-tissue RNA-seq technique. We finally will provide a PeTUA1-involved molecular regulation network during secondary cell wall biosynthesis. The outcoming evidences will offer potential strategies for genetical improvement of wood quality.

周质微管由α-(TUA)和β-(TUB)聚合而成，是植物特有细胞骨架系统，在细胞壁沉积过程中通过指导纤维素合成方向调控细胞壁合成，进而影响木材材性如微纤丝角度。然而，在具有丰富次生细胞壁木本植物中，其具体作用机制仍不清楚。我们前期工作鉴定在杨树中共有8个TUA和21个TUB基因。其中PeTUA1在次生木质部特异表达，并且在具有丰富纤维素的应力木中表达量升高。另外不同翻译后修饰PeTUA1蛋白定位于次生细胞壁加厚不同阶段。在此工作基础上，本项目拟对PeTUA1及翻译后修饰位点突变基因进行过量表达和基因敲除，通过对杨树次生细胞壁和木材材性分析,阐明该基因在木材形成次生细胞壁加厚过程中生物学功能；同时利用应力木诱导体系和激光显微切割技术结合转录组测序手段鉴定PeTUA1基因参与基因调控网络。最终解析杨树微管基因对次生细胞壁合成及木材材性调控机理。此研究结果将为培育优质木材林木品种提供理论依据。

植物周质微管是细胞骨架的重要组成，紧邻细胞膜的内部，在细胞壁合成及相关物质运输过程中发挥指导作用。在林木的次生维管组织发育过程中，大量的光合作用产物通过细胞壁合成积累在木质部（木材）中。本项目对杨树中的8个编码α-(TUA) 微管蛋白基因进行了系统研究，重点解析了表达水平最高的PalTUA1在次生维管组织发育过程中的功能及其翻译后调控作用。首先我们对杨树中的8个TUA和21个TUB基因的表达量进行了测试和分析，发现PalTUA1表达量最高，所有TUB表达量之和低于所有TUA的表达量之和。而在其他植物中，比如大豆，具有13个TUA和18个TUB基因，TUA和TUB的总表达量之和比例接近1：1。这一结果说明在木本植物杨树中TUA和TUB之间存在更为复杂的平衡调控关系。同时我们通过遗传转化启动子驱动报告基因考察了8个PalTUAs时空表达模式情况，发现PalTUA1相较于其他同源基因更特异的表达于木质部中，同时我们发现在杨树的组织再生过程中，8个PalTUAs表达模式具有显著差异。接下来我们针对性研究PalTUA1在维管组织发育过程中的功能，一是基于其表达量最高更特异，二是其蛋白序列的C末端修饰多样性，重点研究去酪氨酸化在维持微管稳定性上的作用。我们在新疆杨中过量表达了编码不同修饰形式的PalTUA1，结果发现它们都不同程度的改变了次生维管组织的结构。同时我们利用基因编辑技术，通过设计和组合不同编辑靶点，以针对不同修饰作用位点进行编辑，考察不同修饰位点的功能。目前在两种编辑类型中发现了次生维管组织发育改变。本项目通过系统的对杨树PalTUAs的表达，过表达植株和基因编辑植株构建和分析等试验明确了PalTUAs在杨树次生维管组织发育中的功能，通过此研究阐明细胞骨架微管蛋白在次生维管组织细胞壁合成过程中的作用机制。