利用拟南芥突变体鉴定木材发育相关基因功能研究

Wood formation is multi-gene involved, net-regulated, very complicated and ordered bilogical process. It is very important in tree's breeding to use DNA recombination technology for researching molecular mechanism and identifing genes' functions of wood formation. However, tree genes' function cannot be identified quickly by trees mutants because of tree's high heterozygosity, long life cycle and difficlult genetic analysis. It is necessory to find a new and simple method in identifing genes' function and explaining genes' molecular mechannism. Some research results showed that secondary induction to Arabidopsis thaliana can develope much secondary vascular tissues such as wood strcture. Therefor, this research plan would use Arabidopsis thaliana secondary induction system to culture these arabidopsis mutants which are from the international Arabidopsis Mutants Stock Centre and then identify the phenotypic or physiological changed mutants on the basis that much more wood formation involved genes are known. At last, this research plan can find interest genes quickly and identify the genes' function and regulational mechanism, then explaining genes' molecular mechannism during the wood formation.

木材发育是多基因参与、呈网络调控、极其复杂且高度有序的生物学过程。研究其分子机理，阐明未知基因功能对于利用基因工程培育林木新品种具有重要意义。然而，由于树木遗传杂合度高、生长周期长，遗传学分析困难，造成不能简单快捷利用树木自身突变体分析其基因功能。因此急需寻求快速简便方法鉴定木材发育相关基因功能，阐明木材发育分子机理。研究发现拟南芥经次生生长诱导后可形成大量次生维管系统，与木材发育相似。因此，本研究利用拟南芥次生生长诱导生长体系，以大量木材发育相关候选基因为基础，由国际拟南芥资源库获得同源基因拟南芥突变体，快速发现表型变化及生理变化突变体，由大量候选基因中快速锁定目标基因，利用基因工程技术研究目标基因功能及调控关系，阐明目标基因在木材发育中的分子机理。

根据拟南芥基因芯片分析毛白杨次生维管系统再生的结果，遴选出可能参与木材形成的拟南芥同源候选基因105个，由国际拟南芥突变体资源库获得179个拟南芥突变系。研究利用优化的拟南芥次生生长诱导体系筛选拟南芥突变系，发现了4个拟南芥突变系，2个突变系表型变化明显，其中拟南芥突变系pny的生长变慢，分枝多，茎增粗，解剖结构分析发现皮层显著增厚，维管束中韧皮部与木质部发育均显著好于野生型，表明拟南芥PNY基因功能涉及到维管系统发育的调控。另一个拟南芥突变系las的侧枝减少，营养生长阶段几乎不能形成分枝，表明该基因是影响植物分枝的重要基因。. 本项目克隆了杨、柳的PNY和LAS基因CDS序列，生物信息学分析表明PNY基因为同源异型结构域转录因子，LAS基因隶属GRAS基因家族。进化树分析和保守氨基酸序列分析表明，PNY基因基本聚为木本植物与草本植物两大类，共同保守结构区域表明PNY基因间具有共同特征，但存在的差异区域主要体现在木本植物与草本植物之间，表明PNY基因的功能差异主要体现在木本与草本植物之间。LAS基因进化树将双子叶植物与单子叶植物分为两大类，存在的共同保守区域表明了LAS基因的共同特征，但差异区域主要体现在双子叶植物与单子叶植物之间，表明LAS基因功能上的差异可能主要在双子叶植物与单子叶植物之间；定量PCR结果表明，PNY基因与叶腋、茎和顶芽的发育均有关联，LAS基因与顶芽和茎发育有密切关系。基因功能研究表明，LAS基因可促进拟南芥快速生长、生长周期长、主茎增粗，株高增加。转录组初步分析表明，LAS基因与植物光合、细胞壁代谢调控、植物防御、叶片衰老等生物代谢调控途径均有关联。 . 树木发育相关基因资源的研究对于树木分子育种改良具有重要的潜在价值，未来可有目的调整木材发育形成，改变树木生长节奏，因此有必要进一步开展候选基因在树木的分子育种中的应用研究。