苎麻木质纤维生物合成代谢网络研究

Systems biology is applied to explore metabolic network of wood fiber biosynthesis in plants by improving lignocellulose biological quality with the ultimate purposes of biofuel reduction in processing and disposing, cost saving and pollution reduction. Cell behavior and biological phenomena can be comprehended better with the study on metabolic network through analyzing biochemical data, exploring the relations between structure and function of metabolic network, between the structure and function and enzyme evolution, and between metabolic flow and gene expression.This study lays the foundation for the research of biological metabolism and evolution, which practical significance lies in being better acquainted with metabolic process and purposeful modification. This project uses Boehmeria nivea(Linn.) Gand., a special local crop in the middle and lower Yangtze River, as experimental material to study the functional gene expression of metabolic network in wood fiber formation and the closely related functional genes in the accumulation of metabolites, and knows well the metabolic network relations between fiber, non-cellulosic polysaccharides and glycosyl bioactivators, which provides the basis for genetic engineering breeding on account of metabolic network system analysis.

应用系统生物学探明植物中木质纤维生物合成的代谢网络，可为通过木质素工程学策略来提高木质纤维素的生物质品质，以最终降低加工处理生物燃料和其他生物质产品的成本并减少污染。 代谢网络的研究是一个新热点，通过代谢网络与其他生化数据、分析方法相结合，深入分析和解释网络结构与功能之间的关系，结构和功能与酶的进化之间的关系，代谢流与基因表达的关系等，有助于理解细胞的行为和生命现象。为今后生物体代谢和进化的研究和分析，使得人们更好地了解代谢过程，针对性地进行改造，具有重要的现实意义。 本项目以我国长江中下游特产具有优势特色的作物苎麻为材料，集成研究其木质纤维形成关键代谢网络，探明与代谢产物的积累相关的功能基因表达情况，掌握纤维素、非纤维素多糖、相关含糖基的生物活性物质之间代谢网络关系，从而为木质纤维代谢的控制和改造过程奠定基础，为基因工程育种工作提供依据。

本项目研究了苎麻植物中木质纤维生物合成的代谢网络，构建其代谢途径，验证其中的关键节点基因；通过代谢网络与生化数据、分析方法相结合，分析苎麻木质纤维代谢网络关键节点基因表达与农艺性状集成关系；通过基因的原核表达及酶活性分析、真核表达等分析结构和功能与酶的进化之间的关系，代谢流与基因表达的关系等，有助于理解细胞的行为和生命现象，为今后生物体代谢和进化的研究和分析提供参考。.本研究获得的重要结果包括：1）成功构建苎麻木质纤维代谢网络参考图，确定10个代谢网络关键节点基因。2）克隆出4CL2和4CL3基因；两基因具有组织和时期表达差异性；Bn4CL2重组蛋白具有底物特异性。3）克隆得到CCR1、CCR2等6个基因，BnCCR1 和BnCCR2 基因具有时空表达差异性。4）克隆出1个PAL基因；随着苎麻生长、发育与成熟衰老，BnGPAL基因的表达量在成熟期茎木质部和韧皮部中达到最高后逐渐下降。5）克隆出1个C4H基因；该基因在3个时期的木质部和韧皮部中均有表达，且在木质部的表达量都高于韧皮部。6）克隆出1个CAD基因和1个F5H基因，在不同品种苎麻的韧皮部和木质部中，BnCAD基因表达量差别不大；BnF5H基因则主要在木质部表达，且表达差异性较大。7）克隆出1个C3H基因。8）克隆得到BnCesA2、BnCesA3、BnCesA4基因。BnCesA2、BnCesA3和BnCesA4基因在不同品种苎麻木质部和韧皮部中均有表达，且差异各异。9）苎麻CCOAOMT 基因具有组织和时期表达特异性。10）具有代表性的苎麻品种不同生长期茎部切片结果显示，在茎秆中部染色深浅差别最大，随着植株的生长，木质素形成沉积。11）CL21616重组蛋白能够在体外表达，且为可溶性蛋白；CL3762、CL15530重组蛋白能够在体外正常表达，但表达的蛋白为包涵体；CL3762真核表达载体的GFP定位显示该蛋白在细胞质中表达。12）发表学术论文3篇，其中SCI收录1篇；申请发明专利1项；培养1名博士生、4名硕士生，其中帮助完成1名博士生、3名硕士生的毕业论文的实验操作和论文撰写。.苎麻木质纤维代谢网络中节点基因的功能研究，为苎麻木质纤维生物合成关系研究提供理论数据，为生物代谢提供了科学依据。