优质速生林木品种木材形成的分子调控机理

以被子植物杨树、裸子植物杉木为模式树种，以模式植物拟南芥为参照，综合运用细胞生物学、基因组学、分子生物学，正反向遗传学等现代实验技术手段，从建立维管形成层发育和分化的细胞和分子生物学时空动态精细模式入手，解决木材形成的细胞和分子生物学机理的研究试验技术瓶颈；通过WUS和CLV研究的差异表达研究研究杨树和杉木形成层发育的干细胞调控机理；研究木材早期发育的激素类信号因子AUX/IAA基因，GAs类，油菜素内脂基因BRs家族等激素信号分子的调控机制，揭示木质部早期分化的调控网络；从Expansins基因家族EXP1和EXP2 ，XET，揭示未成熟木质部细胞壁腔体积扩展对木质部次生生长过程中生物质品质累积的影响（优质）；同源克隆上述研究中的基因并进行遗传转化，进行木材生物质育种体系杨树和杉木木材生物质组分定向育种和转基因定向遗传修饰。

本项目以重要造林树种为材料，运用分子遗传学、基因组学等技术，对木本植物维管形成层发育和木材形成的机制、关键调控基因进行了深入研究。主要研究内容如下：1.通过冰冻切片和显微切割技术建立了形成层研究技术平台。利用该技术获取南林95杨休眠期和生长期形成层细胞，通过基因芯片技术分析了杨树形成层基因调控网络。克隆了杨树PeWOX4基因，该基因在分生组织维持和木质部细胞形成中发挥作用。2.通过转录组和差异蛋白组学技术研究杉木形成层活动机制，建立了杉木生长期形成层基因信息库。分离并鉴定出杉木形成层活动（启动期、活跃期、转化期和休眠期）过程的差异蛋白132个，得到杉木形成层活动相关基因和信号分子。3.通过转录组序列信息进行功能基因克隆，获得了杉木形成层活动和木材形成相关功能基因，并进行了功能验证。利用差减文库、cDNA-AFLP和形成层转录组基因信息库，克隆了与分枝(ClPAE、ClRAB11C、ClRNaseⅢ、ClDELLA) 、生长素信号传导 (ClAUX1、ClLAX3、ClPIN)、形成层活动（ClWOX1、ClWOX4、CLE）、细胞生长与细胞壁活动（Expansin、Extansin、COBRA）、次生木质部发育和木质素合成（CCoAOMT、CAD、MYB）相关功能基因。烟草和拟南芥遗传转化试验证明这些基因在杉木木材形成和形成层活动中具有调控作用。4.通过基因诱变及突变体筛选方法，以拟南芥获为材料获得植物干细胞基因调控网络新的调控元件。研究结果表明AP2和AGO1基因在拟南芥茎端分生组织干细胞调控中发挥作用。在杂交鹅掌楸进行干细胞调控基因的同源克隆，得到了WOX、AP2、PIN、CLE家族基因，在拟南芥和烟草中进行了功能验证。结果表明这些基因在形成层发育、分枝、不定芽分化和茎粗生长方面均发挥一定的作用。5.结合模式植物拟南芥的研究结果，初步解释了木本植物木材形成的分子调控机理。发现并证明了WOX/CLE调控在木本植物形成层活动和木材形成中的重要作用。同时也发掘了大批林木木材形成和形成层活动的功能基因，建立并优化了杉木体胚发生和遗传转化体系，为木材形成相关功能的应用提供了基础保障。项目执行期间共培养博士后2名，博士研究生9名，硕士研究生15名；共发表论文26篇，其中SCI论文15篇，中文研究论文11篇；共申请国家发明专利5项，其中获得授权2项。