毛竹笋芽初生增粗生长的关键细胞学过程及其分子基础

So far, the research about the development of bamboo culm mainly focuses on the fast growth of bamboo shoot. Little is known about the primary thickening growth of moso bamboo shoot. To address this problem, using multi-disciplinary method, our previews work finished the morphological analysis of the primary growth of moso bamboo shoot and found that pith played an important role on promoting this process. By studying a stable variant of moso with abnormal pith development, Phyllostachys edulis ‘Pachyloen’ (thick wall moso) we discovered that the abnormal shape and cell structure of the thick wall variant mainly caused its abnormal pith development. Basing on those discoveries, this project plan to use transmission electron microscope, laser capture microdissection, high throughput transcriptome sequencing technology together with the model plant system to identify the differentially expressed genes between the apical meristem of the thick wall variant and its responding wild type moso to address the key molecular mechanism regulating the development of pith from a ‘mutant’ perspective. And based on the results of those comprehensive study we hope to finally disclose the key cellular process and its responding molecular mechanism of the primary thickening growth of moso in this project.

迄今为止，研究人员对竹子茎秆生长发育的研究主要集中在竹笋的高生长上，而对决定竹秆围度的笋芽初生增粗生长的认识接近空白。针对这个科学问题，我们前期通过多学科的研究方法，完成了毛竹笋芽初生增粗生长的形态解剖学观察与分析，并发现髓组织的分裂与生长是驱动毛竹笋芽初生增粗生长的主要动力。进一步地对一个髓组织分化发育异常的毛竹稳定变异体-厚壁毛竹展开研究，我们发现顶端分生组织形态与细胞结构异常是导致其髓组织分化发育异常的主要细胞学原因。在这些基础上，本项目拟借助电镜观察技术、激光显微切割技术、高通量转录组测序技术结合模式植物验证系统等，对厚壁毛竹与其野生型毛竹顶端分生组织细胞的形态与结构进行更深入地观察与分析；对其差异表达基因进行筛选，验证及功能分析；以期从“突变体”角度揭示毛竹笋芽髓组织分化发育的关键分子机理；并结合前期细胞学研究结果以最终明确毛竹笋芽初生增粗生长的关键细胞学过程及其分子基础。

一直以来有关笋芽初生增粗生长的机理研究接近空白。在本项目资助下，本团队利用多学科方法，以厚壁毛竹与毛竹为研究材料，对毛竹地下笋芽初生增粗生长的关键细胞学过程及其候选调控基因进行了较为系统的研究。主要研究结果如下：1)毛竹笋芽初生增粗生长存在一个明显的螺旋生长现象；髓细胞的分裂与生长在驱动毛竹地下笋芽初生增粗生长及竹类植物竹秆围度演化中具有重要作用。2)厚壁毛竹壁厚腔小是由于其相比于普通毛竹，分化出了相对髓组织更多的维管组织，而其分化异常是由于其顶端分生组织形态与结构异常(扁平、体积增大，细胞数目增多)造成；利用高通量转录组测序对厚壁毛竹萌动期笋芽及其野生型毛竹转录组图谱进行了比较分析，发现生长素信号通路及其下游靶标基因如细胞壁生长及其他代谢相关基因在厚壁毛竹笋芽中均显著性上调；细胞及生化分析显示，厚壁毛竹细胞壁厚度及纤维素含量显著高于其野生型毛竹；数学建模进一步发现：厚壁毛竹笋芽螺旋生长显著弱于其野生型毛竹。3)进一步发现厚壁毛竹顶端分生组织细胞相比于毛竹其初生细胞壁电子密度大、细胞壁规则且细胞壁较厚，表明厚壁毛竹顶端分生组织细胞壁耐细胞间挤压能力高于其野生型毛竹，其顶端分生组织变大且细胞数目较多与其细胞壁特征应密切相关；转录组分析发现了4个与次生壁生长密切相关的差异表达基因，其中有3个在厚壁毛竹顶端分生组织中呈显著上调表达；对其中3个基因进行了克隆与功能分析，发现 Phe4CL与 PhePE过表达水稻植株叶夹角较小，推测可能与细胞壁加固有关。4)构建了获取毛竹笋芽顶端分生组织高质量总RNA的技术方法。5)发现笋芽顶端分生组织形态、细胞数目及细胞比例在竹秆横切面发育中具有重要作用。6)揭示了细胞程序性死亡在竹子髓腔形成中具有重要作用。上述研究结果从“突变体”角度揭示了笋芽髓组织分化发育的关键生物学机制，解析了笋芽初生增粗生长的关键细胞学过程及其分子基础，丰富了植物形态建成理论，为竹秆生长发育的定向调控提供了理论基础。