厚壁毛竹竹秆节间快速伸长的发生机制研究

Elongation growth is the key process to bamboo and is closely related with the biomass. The bamboo can reach their final height quickly due to the elongation of individual internodes. But there is no intercalary meristem at the base of the culm internode like other graminaceous plants. The mechanisms of the quick elongation of the internode is still unknown. On the base of our research, quick elongation of the internode be closely related to the short cell, and was controled by the node. Phyllostachys edulis 'pachyloen'is the only one excellent culm and shoot producting variety with higher biomass of Phyllostachys edulis,and its some internodes are shorted. The elongation development of the internode in rapid elongation stag will be studied using confocal laser,atomic force microscopy, raman microscopy and with chromatin immunoprecitation, HPLC and so on. To fully understand the mechanisms of the internode rapid elongation, changes of structure, microtubules, signal substance, enzymes and epigenetic modification during the rapid elongation of the internode are studied, then to find the relationship between the internode elongation with the short cells and the nodes. It can provide not only better understanding the high biomass of Phyllostachys edulis 'pachyloen', but also more scientific basis for raising the bamboo biomass.

高生长是竹类植物生长发育的关键过程，与生物量密切相关。在高生长期节间快速伸长，使竹秆在短期内达到最大高度，但其节间基部并没有典型的居间分生组织，竹秆节间快速伸长形成的机制尚未明确。我们前期研究表明竹秆节间的快速伸长与短细胞分化密切相关，并受竹秆节部调控。厚壁毛竹（Phyllostachys edulis 'pachyloen'）是毛竹唯一笋材兼优、生物量大的变异类型，其竹秆部分节间缩短。本项目拟采用激光共聚焦、原子力显微及拉曼显微等技术结合HPLC和免疫沉淀等方法，系统研究厚壁毛竹竹秆节间快速伸长发生发育的过程，揭示节间快速伸长过程中结构、细胞化学以及表观遗传修饰的变化规律，阐明竹秆节间短细胞分化与节间伸长之间的关系，以及竹秆节部对节间长度的影响，探讨竹秆节间快速伸长形成的机制。本研究可为提高竹子生物量提供理论依据，对进一步解析厚壁毛竹生物量大形成的机制具有重要意义。

竹秆节间快速伸长是高生长的基础，是竹子形态建成，影响生物量的关键生长过程。本项目采用激光共聚焦、拉曼显微及电镜等技术结合HPLC、双末端测序方法，系统研究厚竹竹秆节间快速伸长发生发育过程，分析节间快速伸长过程中显微结构、细胞化学以及遗传调控特征，结果表明：1）竹秆节间伸长是由细胞增殖和细胞伸长共同引起的。伸长早期主要由节间细胞数量的增加决定的，而后期阶段主要来自于细胞长度的增加。细胞壁微纤丝松散地网状排列方式更有利于细胞的伸长生长，半纤维素类型是影响细胞伸长的重要因子，木质素的沉积是细胞伸长停止的主要因素之一；2）Ca2+通过信号转导，调节物质的形成和运输进而调控节间伸长。ATP酶主要调控节间伸长过程中新细胞壁物质的合成、运输及其构建过程。 GA和ZR通过促进细胞分裂调控节间伸长，IAA和BR主要促进细胞伸长进而促进节间伸长；3）“吐水”与竹秆节间快速伸长密切相关，水分代谢是节间快速伸长，促进竹子进入快速高生长的关键因素。高生长期节间快速伸长的物质能量主要来源于细胞内贮存的淀粉粒；4）竹秆节间伸长过程中表观遗传修饰和转录组都存在差异表达，主要富集在代谢过程和生物学过程；5）短细胞在节间伸长过程中参与了物质的横向交流运输，对节间伸长具有重要的调控作用；6）节部对于节间细胞分化、伸长具有重要的调控作用，主要与物质运输有关。项目研究结果揭示了厚竹竹秆节间快速伸长的发生发育机制：促进与代谢过程和生物学过程相关的基因表达，诱导促进细胞分裂和伸长相关的细胞化学物质的反应，细胞壁物质合成、运输，节间细胞增殖，细胞壁微纤丝排列变为松散网状，水分代谢加速，细胞数量和长度快速增加，并由节间的短细胞和节部共同调控，节间快速伸长。研究结果对进一步解析厚壁毛竹生物量大形成的机制具有重要意义，可为提高竹子生物量提供理论依据。