HD-ZipIII转录因子家族在杨树维管组织发育过程中的分子调控作用

植物通过次生生长（包括维管形成层的分裂、分化与细胞壁合成等）进行生物质的大量累积，是植物尤其是木本植物的一个重要生物学过程。对植物初生生长已有大量的研究，但对次生生长的研究报道甚少。拟南芥、百日菊和水稻等草本植物的研究结果表明HD-ZipIII转录因子家族在植物维管形成层的分裂和分化过程中起重要的调控作用。我们已从毛果杨中克隆了7个HD-ZipIII基因，本项目将在已有工作的基础上，通过激光显微切割技术进行HD-ZipIII基因表达定位分析，利用反向遗传技术解析HD-ZipIII的功能，通过染色质免疫沉淀和基因芯片技术鉴定HD-ZipIII的下游靶基因，阐明该家族基因对杨树维管组织分化的调控及其机理。杨树是重要的速生木材和生物能源树种之一，对HD-ZipIII家族基因的研究将有助于进一步认识和掌握林木的次生生长规律，同时为应用基因工程手段提高木材产量和品质提供技术创新。

本课题按项目申请书的研究计划如期完成,并取得了一定的研究成果。培养博士生1名，本科生1名，青年科技骨干4名。发表国际论文1篇，国内核心期刊论文1篇，另1篇论文正在投稿中。. 在模式植物拟南芥中的研究表明HD-Zip III 转录因子家族参与调控初生维管组织发育，而HD-Zip III 转录因子家族是否调控木本植物次生维管组织发育，相关研究尚不多见。本课题对杨树HD-Zip III 转录因子家族与次生维管组织发育之间的关系进行了一系列探索性研究。. 1. 利用基因组信息，我们分析了毛果杨（Populus trichocarpa）8个HD-Zip III基因，命名为PtrHB1-PtrHB8。对这8个HD-Zip III基因表达分析发现PtrHB4和PtrHB7定位与杨树维管组织发育紧密相关：PtrHB4在茎顶端高表达，PtrHB7在具有次生生长茎中表达量逐步升高，精细定位显示PtrHB4和PtrHB7均特异地在维管形成层区域表达。. 2. 通过分析转基因杨树发现降低PtrHB7基因表达导致杨树维管组织发育异常：木质部发育受到抑制而韧皮部发育加强、维管形成层分化减缓。过量表达PtrHB7基因导致杨树维管组织形成层细胞分化加强，木质部增多，并出现了变异程度不同的表型。与杨树类似，拟南芥异源过量表达PtrHB7，也发现PtrHB7表达水平与表型变化程度呈正相关。进一步对过量表达PtrHB7拟南芥进行转录谱分析，结果显示PtrHB7可影响形成层细胞分化及促进木质部分化过程的相关基因。在反义PtrHB7转基因杨树中同样证实了PtrHB7对参与上述两个分化过程的基因具有调控作用。. 3. 利用显性负抑制方法抑制PtrHB4作用，使杨树形态特征发生巨大变化：茎显著增粗并呈五棱形，叶面积增大且下卷。进一步分析发现，PtrHB4功能缺失杨树茎维管组织排布模式发生改变，但叶维管组织排布模式并无影响。叶极性虽不受影响，但上表皮细胞体积增大。. 4. 本研究表明在杨树次生维管组织发育过程中，PtrHB7以剂量依赖方式平衡形成层向木质部和韧皮部两个不同方向的分化过程，PtrHB4特异地调控茎维管组织排布模式。