小麦Dirigent蛋白在木质素合成和木酚素代谢中的功能分析

木质素在植物生长发育和机械支持中起重要作用，同时由木质醇单体可以产生另外一类次生代谢物质木酚素，它们具有广谱防御作用并会影响到人类的健康，Dirigent推测参与到木质醇的聚合。本项申请拟在我们木质素研究的基础上，深入分析Dirigent参与木质素聚合和木酚素代谢的作用机理和生物学功能。通过分析各类Dirigent，分离相关的基因。表达并纯化各类Dirigent蛋白，生化测定不同亚类Dirigent蛋白对各种木质醇单体的活性差异。分析Dirigent基因的组织表达和抗性诱导图谱。在转基因植物中抑制和过量表达Dirigent基因，分析对木质素合成和木酚素代谢的调控作用，以及对广谱抗性和其它生理性状的影响。进一步完善小麦木质素合成和木酚素代谢的理论模型，并通过调节木质素合成和木酚素代谢解决作物倒伏、广谱抗性和生物质能源等生产实践问题提供新的思路和理论基础。

Dirigent是一类功能不明植物蛋白家族，推测可能参与木质素或者木酚素代谢，其表达受到多种逆境胁迫的诱导，所以通常被归类为抗性蛋白，但是其真正的生物学功能却不清楚。本项目以小麦为材料，系统分析了Dirigent基因，证明Dirigent主要有A，B/D和C等三个亚类，分别选择TaDIR13, TaDIR4和TaDIR21作为上述三个亚类代表，生化分析表明，只有A亚类TaDIR13具有增加松柏醇形成松脂酚的作用，而TaDIR4和TaDIR21不具备这种作用。转基因植物中过表达TaDIR13和TaDIR21能明显增强植株的抗病性，而过表达TaDIR4对抗病性影响不显著。过表达TaDIR13后转基因植物中木酚素含量明显增加，木酚素提取液抑制病菌能力增加，木酚素合成关键酶松脂醇/落叶松树脂醇还原酶的表达活性上调，表明A亚类主要通过木酚素途径增强植物抗病性。C亚类的TaDIR21含有木菠萝素凝集素结构域，并具有凝集病原菌的作用，它们只存在于单子叶植物中，具有模块结构，在进化历史上受到净化选择，表明这是一类与植物抗性有关的新型凝集素。上述研究成果，首次对Dirigent家族的生物学功能和作用机理进行了全景式挖掘，揭示了这个家族复杂作用方式，为进一步系统解析Dirigent指明了方向，同时为开发小麦有用基因资源，开展农作物分子育种奠定了理论基础和切实可行的途径。上述结果圆满完成了本项目的研究目标。