杨树赤霉素代谢途径的解析及相关基因家族的功能分化机制研究

Exploration of key metabolic pathways of forest trees, and identification of the key genes and gene families in metabolic pathways, is one of the central tasks of tree genetics in post-genomic era. Gibberellins are key plant hormones that are biosynthesized through complex pathways and control diverse aspects of growth and development. In this study, we will focus on Populus gibberellin metabolic pathway. Firstly, we will identify the candidate genes involved in Populus gibberellin metabolic pathway using the methods of comparative genomics and molecular systematics. Secondly, the expression pattern of the candidate genes in Populus under normal and stress conditions will be examined using RT-PCR and real time RT-PCR. Thirdly, we will clone all the candidate genes from Populus genomes, express proteins in vitro, and purify the proteins. The biochemical function of the recombinant proteins will be analyzed in detail. Finally, we will investigate the physiological functions of the Populus candidate genes in vivo by transgenic Arabidopsis mutants. In a word, by integrating all the results about molecular evolution, gene expressions and protein functions, this study will identify the key genes in Populus gibberellin metabolic pathway, and shed light on the functional divergence of gene families.

解析林木重要代谢途径，揭示代谢反应关键基因和基因家族的功能，是后基因组时代林木遗传学的核心任务之一。本课题以林木模式物种杨树为材料，以赤霉素代谢途径为研究对象，从比较基因组→基因表达→蛋白质结构与功能→体内生理功能四个层次，解析杨树赤霉素代谢途径，揭示每一步代谢反应的关键基因，阐明杨树赤霉素代谢相关基因家族的功能分化机制，为林木遗传改良提供新的理论依据和候选基因资源，具有重要的理论意义和实践价值。

杨树赤霉素(GA)代谢途径中的关键重要基因CPS和KS属于萜类合成酶（TPS）家族，而GA20ox、GA3ox和GA2ox基因属于2-酮戊二酸依赖性双加氧酶（ODD）家族。本项目从杨树基因组中鉴定出59个TPS基因，124个ODD基因，一个KO基因和两个KAO基因。通过系统发育综合分析发现杨树基因组中有2个KS基因、2个CPS基因，8个GA20ox基因，4个GA3ox基因以及15个GA2ox基因。尽管杨树TPS基因家族的扩张主要是由于串联重复，但是GA代谢通路中的关键基因CPS和KS的扩张是串联重复和全基因组重复共同作用的结果。而全基因组重复是杨树GA代谢通路中关键ODD基因扩张的主要机制。基因表达模式分析发现杨树GA代谢途径的2个KS和2个CPS基因在不同的组织部分发生了表达模式的分化。杨树GA代谢通路相关的27个GA20ox、GA3ox和GA2ox基因也有着表达模式的差异，预示着功能的分化。亚细胞定位分析发现两个杨树CPS具有一致的亚细胞定位，均定位在细胞质、细胞核和叶绿体中。两个杨树KS也有一致的亚细胞定位，定位在细胞质和叶绿体中。在检测的19个杨树ODD蛋白中，PtODD25定位在细胞质中，PtODD18定位在细胞质、细胞核和叶绿体中，而剩下的17个都定位在细胞质和细胞核中。蛋白质的生化功能分析发现PtODD07主要催化GA9→GA51，而PtODD09主要催化GA1→GA8，而PtODD24、PtODD25和PtODD26主要催化GA24→GA9，说明了不同的ODD蛋白呈现出差异的底物活性和底物特异性。本项目揭示了杨树赤霉素代谢相关基因家族的功能分化模式和机制，以及功能多样化形成的分子机理。