拟南芥蜡质合成相关基因CER16的功能解析

The aerial parts of land plants are covered with a lipidic cuticular waxes which plays a critical role in plant survival by restricting non-stomatal water loss and protecting plants from pathogen and insect attacks and ultraviolet radiation. Although the wax biosynthesis pathway and regulatary mechanism are thoroughly investigated, the synthesis of plant alkane, the major component of wax, remains largely undiscovered. These needs to be further investigated. Previous report showed that, in Arabidopsis wax deficient mutant cer16, the total wax amount of both leaves and stems was significantly reduced in compare to that of the wild type, and alkane was the most reduced wax component. This indicated that CER16 might be involved in alkane synthesis or play an important role in regulating alkane synthesis. Our previous rough mapping data showed that CER16 is located on chromsome 5 in between 16.9M and 18.3M. In this project, CER16 gene will be fine mapped and further cloned using map-based cloning method. The functional mechanism of CER16 involved in wax biosynthesis will be further investigated by genetic analysis, yeast two hybrid screening and transcriptome analysis. Further identification of up-stream or down-stream components of CER16 will be very helpful to better understand the cuticular wax biosynthesis pathay and its regulatory network, especially the mechanism of alkane synthesis and regulation.

植物表皮蜡质是覆盖在陆地植物地上部分表面的一层疏水性脂类物质，在抑制植物水分非气孔散失、保护植物免受病虫害入侵、紫外线辐射等方面起着重要作用。尽管蜡质合成通路和调控机制已经有了较大的进展，但是表皮蜡质主要成分烷烃的合成和调控机制目前还不明确，值得深入研究。以前研究报道显示拟南芥蜡质缺失突变体cer16茎和叶的蜡质总量与野生型相比都显著降低，其中烷烃组份的降低最为显著。暗示CER16很可能参与烷烃合成途径的催化或者调控。我们的前期工作已经将CER16基因初步定位到拟南芥第五条染色体的16.9M-18.3M之间。本项目拟在此基础上，首先通过图位克隆技术分离CER16基因，然后利用遗传分析，转录组分析以及酵母双杂交等手段深入研究该基因在蜡质合成特别是烷烃合成过程中的遗传作用位点及上下游作用元件，进而完善植物表皮蜡质特别是烷烃的合成通路和调控网络。

植物表皮蜡质是覆盖在陆地植物地上部分表面的一层疏水性脂类物质，在抑制植物水分非气孔散失、保护植物免受病虫害入侵、紫外线辐射等方面起着重要作用，植物蜡质也是具有广泛用途的工业原料。根据特性的不同，植物蜡可以用作润滑油、粘合剂、涂料、密封剂和浸渍材料等。另外，短链烷烃是目前主要液体燃料汽油和柴油的主要成份，然而对其合成机理的研究很少。尽管植物蜡质中的烷烃属于超长链烷烃（20C-32C），不适合直接做生物燃料，但参与超长链烷烃合成的重要酶及调控因子的鉴定将为短链烷烃的合成提供参考，进而通过生物技术手段合成可再生新一代生物燃料烷烃，将对解决21世纪即将发生的能源危机具有重大意义。拟南芥蜡质缺失后出花序茎呈现出光亮的表型，cer16突变体是美国植物学教授Koornneef 早在1989年就筛选出来的一个快中子辐射导致的蜡质缺失突变体，表形分析发现该突变体茎和叶的蜡质总量与野生型相比都显著降低，其中烷烃组份的降低最为显著，这暗示CER16基因可能参与了蜡质主要成分烷烃的合成或调控。我们利用图位克隆技术克隆并鉴定CER16为AT5G44150 的等位基因，编码了一个定位于内质网的功能未知蛋白。进化分析显示CER16在拟南芥中为单拷贝基因，并且在被子植物中非常保守。CER16基因在各个组织器官中都有表达，并且在角果中表达量最高。转录组分析结果显示，在已知蜡质合成关键基因中，只有CER3基因在cer16-2 突变体中呈现出极为显著的下调表达，而且CER16基因缺失突变体和cer3突变体具有非常相似的蜡质化学组分。这些结果表明CER16通过调控拟南芥烷烃合成关键基因CER3的表达来正调控烷烃的合成。项目的研究成果进一步完善了植物表皮蜡质特别是烷烃的合成通路和调控网络。