HAIRY MERISTEM基因对杨树干细胞功能的分子调控机制研究

Tree stem cells are the source of tree growth and wood formation. At present, little is known about the molecular regulation mechanism of tree stem cell function. Based on the previous studies, this project will use a series of methods of molecular genetics and molecular biology to study the regulatory effects of PagHAM4a and PagHAM4b genes on the function of poplar stem cells, especially cambial stem cells, and their effects on the development of vascular tissue. Moreover, their regulatory relationships with upstream auxin signaling and downstream target genes were analyzed, and then clarify the regulatory mechanism of the two transcription factor genes on poplar stem cell function. This study will provide a theoretical basis for promoting the growth of forest trees and improving the quality of wood.

林木干细胞是林木生长及木材形成之源，目前，对林木干细胞功能的分子调控机制还知之甚少。本项目拟在前期研究的基础上，以林木模式树种杨树为研究材料，采用分子遗传学、分子生物学等一系列方法，研究PagHAM4a/PagHAM4b两个转录因子基因对杨树干细胞特别是形成层干细胞功能的调节作用、以及对维管组织发育的影响，并解析它们与上游生长素信号、下游靶基因之间的调节关系，进而阐明两个转录因子基因对杨树干细胞功能的分子调控机制，为林木速生和材质的改良提供理论依据。

林木干细胞特别是形成层干细胞是林木生长和木材形成之源。理解林木干细胞功能的分子调控机制是通过分子遗传手段促进林木速生和材性改良的重要理论基础。本项目首次全面、系统解析了HAMHAIRY MERISTEM转录因子基因家族的PagHAM4a和PagHAM4b基因对杨树干细胞功能的分子调控机制。通过实时荧光定量PCR和目标基因特异启动子驱动报告基因相结合的检测方法，揭示PagHAM4a和PagHAM4b主要在杨树维管组织中表达，特别是在形成层及其邻近区域中表达显著，阐明了这两个基因的表达特性。通过对PagHAM4a和PagHAM4b基因的过表达植株和基于CRISPR/Cas9创制的突变体的表型分析，揭示PagHAM4a和PagHAM4b能够调节形成层干细胞的活性以促进形成层向次生木质部的分化，其中PagHAM4a较PagHAM4b发挥更为重要的作用，阐明了这两个基因对杨树干细胞功能的调节作用及对次生维管组织发育的影响。通过转录组测序探索了PagHAM4a和PagHAM4b基因在杨树茎次生生长过程中的分子调控网络，揭示这两个基因调节的下游差异表达基因主要集中在形成层向次生维管组织定向分化阶段，但两个基因调节的分子网络不尽相同。基于转录组和序列分析，在初步筛选PagHAM4a和PagHAM4b候选靶基因的基础上，进一步通过酵母单杂交和双荧光素酶试验鉴定了它们的靶基因，揭示PagHAM4a和PagHAM4b通过分别靶定PagSCL21和PagTCP20参与调控形成层向次生木质部的分化。通过双报告基因检测联合外源生长素的应用，揭示PagHAM4a和PagHAM4b在生长素信号途径中调控形成层向次生木质部的分化，阐明了这两个基因的表达与生长素信号之间的关系。通过上述一系列研究，阐明了PagHAM4a和PagHAM4b两个转录因子基因对杨树干细胞功能的分子调控机制。研究结果对揭示树木次生木质部的形成机制具有重要的科学理论意义。