油菜素内酯受体蛋白功能演化在树木维管组织进化中的作用机制

Wood is not only the raw materials for thousands of supplies for human activities but also a major natural resource for renewable energy. However, our country has a low rate of forest coverage, limited trees for harvest, thus the supplies are far short of the demands and forty percent of wood relies on import. Therefore, cultivation of tree plants with high yield and quality of wood are particularly important. However, the mechanism for the wood (xylem) formation and regulation is not yet clear. Plant hormone Brassinosteroid (BR) promotes plant growth and development, and can directly stimulate mesophyll cells to form the main components of xylem: the vessel elements and tracheid elements. BR receptors are necessary components that bridges the BR and its biological functions. However, non-vascular plants only have BRs but no BR receptors. This indicates that the evolution of plant vascular tissues and the evolution of BR receptor functions are related. In order to establish the relationship of genetic evolution and the adaptation of xylem, we select vascular plants gymnosperms (Pinuselliottii Engelm and Cunninghamia lanceolata),angiosperms arbors (Populus trichocarpa and Eucalyptus grandis) and shrubs (Buxus megistophylla) as research materials, to clone the BR receptors and perform phylogenetic analysis, identify sites with positive selections, and to modify the sites under positive selections to study their functions in this project. Our research may lay a foundation for the exploration of molecular mechanisms of the evolution of wood formation and regulation, providing a base for the cultivation of trees with high yield and high quality of wood.

木材是数千种生活用品的原料也是主要天然再生能源,可我国森林覆盖率低、可采伐树木有限、四成木材靠进口、供求矛盾尖锐。因此研究并培育高产优质树种尤为重要。但木材（木质部）的生成及调控机理尚不明晰。植物激素油菜素内酯（BR）促进植物生长发育并可直接刺激叶肉细胞形成木质部主要成分：导管和管胞。BR受体是BR发挥作用的必要桥梁，然而非维管植物有BR却没有BR受体，这预示植物维管组织的进化可能与BR受体的功能演化相关。本课题选择具有维管组织的裸子植物松属（湿地松）和杉木属（杉木），被子植物乔木类杨属（毛果杨）、桉属（巨桉）和灌木类卫矛属（大叶黄杨）为材料，克隆BR受体并对其进行系统进化分析、鉴定其受到正选择的氨基酸位点并改造正选择位点以研究其功能，从而确立基因进化与维管束及其木质部适应性表型的关系。本研究或可为探索木材（维管组织）的形成及调控的分子进化机制奠定基础，可为培育高产优质树种提供依据。

油菜素内酯（Brassinosteroids，BRs）是一类重要的植物激素，参与了植物细胞伸长与分裂、维管束分化、花粉发育和育性、植株衰老以及植物抗逆反应等一系列重要的生长及发育过程，且在木质部的形成过程中具有重要的作用，BR信号必须与其受体结合之后才能发挥作用。BR的受体主要有BRI1、BRL1、和BRL2，在不同植物中种类和数量有所差别。本项目首先对BR受体的起源进行了分析，发现BR（BRL2）受体起源于藓类植物，有活力的BR受体（BRL1）起源于裸子植物而不可或缺的BR受体（BRI1）仅存在于是被子植物中，并揭示了BR受体的起源及进化历程。BR受体的进化与维管植物的进化具有近似的等级模式，这种巧合使我们有理由认为BR受体对维管组织的形成具有重要的作用。随后项目依次对杨树、云杉等植物BR受体的功能进行研究。序列联配分析发现杨树BR受体PtBRI1-1和 PtBRI1-2分别拥有和拟南芥突变体bri1-119相同及相似的突变位点，推测PtBRI1-1和 PtBRI1-2的这两个突变位点为杨树的一种适应性进化。 PtBRI1-1和 PtBRI1-2均能恢复bri1-301的表型但恢复程度不同，切片分析发现转基因植株的维管组织与野生型不同，PtBRI1-1和 PtBRI1-2的转基因植株维管组织中木质素及纤维素的含量也有所改变。毛果杨的2个BRL2，都不能够恢复bri1-301的表型，云杉BRL12受体可微弱恢复bri1-301的表型，云杉及BRL2均不能恢复bri1-301的表型。本项目可为为树木育种或生物能源材料生产提供理论依据。