杨树AspAT家族基因在氮高效利用中的功能及分子机制研究

Poplar is one of the most important plantation tree species in China. To pursue the highest profit, poplar breeding has been overly concerned with fast growth and high productivity in the past, but ignored the issue of energy consumption and environment-friendly, resulting in waste of resources and damage of ecology. Nitrogen is one of the most important factors limiting poplar growth and development. Nitrogen Use Efficiency (NUE) is an effective approach to further improving poplar biomass and wood productivity on the basis of the current poplar advantage species, and to enhancing the economic and ecological benefits of poplar plantation. NUE is a complex trait controlled by multiple genes. Our previous study suggested that AspAT (Aspartate aminotransferase) was one of the key NUE candidate genes. AspAT encoded enzymes play pivotal roles in nitrogen and carbon metabolic pathways. Nevertheless, the molecular basis of its function remains largely unknown in poplar. This program attempts to use woody model plant poplar as materials, establish transgenic lines suppressing AspAT via amiRNA-mediated gene silence and overexpressing AspAT, and expose these lines to nutrient solution containing different concentration of nitrogen in parallel with control poplar. Phenotyping, metabolism measurement, NUE calculation and AspAT expression analysis will be performed to elaborate the effect of AspAT on poplar growth, and its regulatory mechanism on NUE trait. This study provides theoretical principle and serves as a practical example for genetically engineering NUE in other woody plants. It contributes to a win-win solution for the economy and environment of poplar plantation.

杨树是我国重要的人工林栽培树种，以往其新品种选育以经济利益为导向，过分注重速生高产这一集成性状，而忽略能耗（水肥）和环境友好，导致资源浪费和生态破坏。氮是杨树生长发育的主要限制因子，氮素高效利用（NUE）既能进一步发挥现有杨树最优速生品种的生长潜力，提高木材产量和品质，又可减少生态负面效应。NUE是多基因控制的数量性状。申请人前期研究发现天冬氨酸转氨酶（AspAT）是调控植物NUE关键候选基因之一，然而其功能和机理尚不十分清楚。本项目拟通过农杆菌转化技术，获得amiRNA介导的AspAT抑制性表达和AspAT高表达杨树，比较分析其与对照杨树在不同浓度氮生长条件下的转录本、蛋白表达、酶活、生长表型、代谢产物和NUE的变化，揭示AspAT对杨树生长发育和NUE的调控功能及其分子机制。研究结果将为杨树等木本植物NUE性状改良提供理论依据和分子靶标，对实现人工林经济发展和环境保护双赢具有重要意义。

杨树是我国重要的丰产速生林建设树种，有着较高的经济、社会和生态价值。氮素是植物生长发育最重要的限制因子之一。如何促进杨树高效吸收和利用氮素从而积累更多的生物量是一个非常重要的科学问题。先前有文献报道天冬氨酸转氨酶（AspAT）催化的生化反应对N代谢及提高氮利用率具有重要的作用，但AspAT相关生理功能和分子机制还不清楚。本研究通过生物信息学方法在毛果杨中鉴定AspAT基因，并对AspAT表达模式及其与氮素利用的相关性进行了研究。取得了以下主要研究成果：1.全基因组范围鉴定了10个杨树AspAT家族基因成员，深入系统的分析了AspAT基因家族各成员亚细胞定位，启动子特征，保守结构域，在染色体上的分布以及系统进化关系；2. 以南林895杨和毛果杨为研究材料，通过qPCR和酶活性测定方法对AspAT家族基因不同成员的时空表达模式进行分析，发现AspAT在毛果杨和南林895杨不同组织不同发育阶段基因表达呈现多样化，同期AspAT同工酶的分布和活性也表现出明显的组织特异性，表明AspAT在体内不同组织部位发挥功能，AspAT可能参与多种生物学过程；3. 进一步氮胁迫处理实验发现不同浓度氮培养的杨树水培苗的生长表现，以及AspAT编码基因和酶活性差异显著，初步揭示了AspAT与氮素利用之间的相关性；4. 发现不同形态氮对杨树生长发育影响明显，外源氨基酸态氮天冬酰胺（Asn）可部分替代无机氮源，显著改善在缺氮条件下植株由于C/N升高而引起的生理胁迫反应，这可能与外源Asn的添加诱导AspAT同工酶酶活性及AspAT大部分编码基因的表达量显著增加有关；5.外源ABA处理时，AspAT4基因表达被快速诱导，结合前人研究推测AspAT4是ABA早期应答响应基因，可能参与ABA信号传递；6.本研究还通过优化实验条件，建立了一种简单、快速、高效的发根农杆菌介导的杨树转基因的实验方法，为杨树基因功能研究和遗传育种提供了重要基础。项目实施过程中，发表国内外学术论文6篇，申请国家发明专利一项。