拟南芥糖基转移酶基因UGT72B1调节细胞壁木质化的作用机制

The cellular lignification is a process of depositing the secondary metabolite lignin into cell wall. It palys a key role in supporting plant erect growth, water transport and mechanical defense. However, very little is known currently on the molecular mechanism of lignification because of the fact that there are too many processes and too complicated metabolism network involved. In our previous work on the Arabidopsis glycosyltransferase family, a mutant of glycosyltransferase gene UGT72B1, which is characterised by ectopic and more intensive lignification in stem, was identified. Its rescued lines gave a normal phenotype. Moreover, it was found that the UGT72B1 gene was specifically expressed in xylem of stem. Based on these findings, this research project was proposed to study the relationship between UGT72B1 gene and the cellular lignification using the identified mutant. The research aim is to discover the in vivo substrate of UGT72B1 enzyme, analyze the action pathway of UGT72B1 gene involved in the lignification, and make clear how the UGT72B1 controls the cellular lignification from biochemical and gene regulatory network through an integrated biochemical, molecular, cellular and genetic approaches. We are hopeful to reveal the fine-turning mechanisms of cellular lignification from the new perspective of molecullar glycosylation. Thus, this research proposal would have great scientific significance for completely and thoroughly understanding the molecular regulation of lignin biosynthesis and cellular lignification in plants.

植物细胞壁的木质化是指细胞壁内沉积木质素的过程，它对于支撑植物生长、水分输导以及机械防御等起关键作用。但是细胞木质化过程涉及环节众多，机制复杂，目前了解很少。本课题组在前期研究中，鉴定了一个与细胞壁木质化密切相关的拟南芥糖基转移酶UGT72B1突变体，该突变体表现为茎中细胞木质化严重紊乱和木质素沉积加重的特征，恢复系表现正常。并且还发现该糖基转移酶基因在茎的木质部特异表达。本课题拟利用该突变体，研究糖基转移酶基因UGT72B1与植物细胞壁木质化的关系。通过生物化学、分子生物学、细胞学、遗传学等手段，确定糖基转移酶UGT72B1的作用底物，分析该基因通过什么途径来影响木质素代谢以及细胞壁的木质化，明确糖基转移酶基因UGT72B1调节植物细胞壁木质化的作用及其分子机理。通过本研究，将有助于从分子糖基化修饰这一新的视角来揭示木质素代谢合成以及细胞壁木质化的精细调节机制，因此具有重要科学理论意义。

木质素单体的糖基化修饰现象自上世纪70年代以来就被发现普遍存在于高等植物中。然而，木质素单体的糖基化修饰具有什么生物学意义？该糖基化修饰对于木质素积累和细胞壁合成有没有影响？一直是植物细胞壁研究领域长期以来悬而未决的科学问题。为了研究木质素单体糖基化对植物细胞壁和木质素的影响，本项目以拟南芥为模式植物开展研究。主要研究内容和结果如下：（1）大规模筛选与细胞壁木质素相关的糖基转移酶家族突变体，鉴定了UGT72B1是影响细胞壁木质素的关键糖基化修饰基因。（2）研究了UGT72B1基因在野生型拟南芥不同组织的表达模式，发现该基因主要在茎秆木质部表达。（3）对UGT72B1突变系和恢复系中木质素含量与细胞壁结构进行了分析，发现UGT72B1的功能缺失导致细胞壁木质素的显著积累、异位木质化发生以及细胞壁的显著加厚。恢复系均回复正常。（4）对糖基转移酶UGT72B1的作用底物进行鉴定，发现UGT72B1特异性地糖基化修饰木质素合成途径上的单体物质，参与了木质素的代谢。（5）分析了突变系和恢复系中UGT72B1发挥作用的分子机制，发现UGT72B1催化的木质素单体糖基化过程能够反馈负调节木质素合成途径的转录因子与关键合成酶。证明了UGT72B1在植物细胞内催化的木质素单体糖基化，作为一种平衡器制约和调节着细胞壁木质素的正常合成与积累。总之，通过本课题，我们首次鉴定了一个调节细胞壁木质素合成的糖基转移酶基因UGT72B1, 明确了糖基转移酶基因UGT72B1在调节植物细胞壁木质化中所起的作用，揭示了糖基转移酶UGT72B1调节植物细胞壁木质化的生化和分子机理。我们的工作在国际上首次证明了木质素单体糖基化对于植物细胞壁的正常合成起着至关重要的调节作用，研究结果具有明显的理论创新性。同时，本课题发现的拟南芥糖基转移酶基因UGT72B1以及在其他植物中的同源基因有望被用于作物改良，通过生物技术手段改善与细胞壁以及木质素有关的农艺性状，更好地为农业生产服务。本课题研究结果已经发表在Plant J, Plant Physiol 等国际植物学主流期刊。课题圆满地达到了预期目标。