速生纤维用材林培育的分子基础解析

利用速生林木生产纸浆及纤维制品是人工林培育的重要方面。在纤维纸浆用材培育中，木材纤维特性是一个重要的性状，对纤维和纸浆生产具有十分重要的影响。本研究将从木质纤维形成的生物学基础出发，对纤维用材林的纤维形成分子机理进行研究。根据本研究领域前沿进展和发展动态，结合我们研究组多年的研究结果，拟提出在木质部分化过程中，对纤维素合成机理进行解析，对木质部纤维细胞及其细胞壁合成的特异调控开展研究。本项目将主要研究在纤维素合成过程中，不同纤维素合酶（CesA）蛋白形成纤维素合酶复合体（CSC）的机理，并解析纤维素合酶复合体对纤维素合成的调控。同时，在木质部纤维细胞分化过程中，特异地调控细胞壁木质素的合成，降低纤维细胞中木质素含量，从而提高木材的制浆效率，创新培育高品质纤维用材林新品种的技术手段。通过该项目的研究，为纤维和纸浆林木的分子育种和生物技术改造提供理论基础。

纤维纸浆是重要的基础原料物质，每年消耗大量的木材进行生产。在制浆过程中要耗费大量的能源和化学物质用于去除木质素，提取纤维素。木材细胞壁中纤维素含量和结构，木质素含量和化学组成对制浆影响很大，本项目围绕培育优质纤维纸浆林木的理论与技术开展研究。.通过本项目的研究，取得了如下主要成果：.１）以杨树为材料，对木材形成过程中纤维素合成的机制进行了系统的研究，研究结果显示木材次生细胞壁加厚过程中，纤维素合成有两类纤维素合酶复合体（CSC）参与，CSC可能参与纤维素结构的调控，即不同CSC合成不同结构的纤维素微纤丝。这一发现说明纤维素微纤丝结构可以通过CSC来调控，为纤维素合成的生物技术改造开辟了一个新的可能途径。.２）发现和解析了多个调控木材细胞壁重要基因的功能。发现内切-1,4-β-甘露聚糖酶基因参与了木材次生壁加厚调控，启动或关闭木材细胞壁加厚的程序，通过对该基因功能机理的解析，提出了寡糖可能作为一种信号分子调控细胞壁加厚。同时，还发现了一个关键转录因子基因在木材形成过程中发生可变剪接现象，对其机制解析结果表明该可变剪接可能是林木进化过程获得的一种精细调控木材纤维细胞壁加厚的机制，确保木材形成过程中持续不断的细胞壁加厚。.３）由于木材中木质素的含量和单体构成对制浆的效率和质量影响很大，为改变木质素的含量和组成，改进木材制浆效率，减少制浆过程的环境污染，２０多年来，国际上多个实验室通过组成型调控或组织水平调控来改变木材细胞壁中木质素合成开展了大量的研究。我们在不同类型细胞水平上，实施了对木质素合成的调控研究，已经产生了多种类型的转基因杨树材料。.通过该项目研究，我们取得了较系统的研究成果，丰富和发展了我们对木材细胞壁合成的认识和知识，一部分研究结果显示了在培育优质纸浆林木应用上的潜在价值。研究结果已发表学术论文1６篇，17次在国际国内学术会议上进行了交流报告，获得发明专利1项。