杨树木质部细胞壁构造与组分对木质素合成途径受阻的响应机制

Lignin and cellulose are the key components of cell wall in forest tree. To decrease the lignin content is favorable for degradation of cellulose and has great significance for papermaking and utilization of lignified biomass energy. Transgene poplar with low lignin content has been obtained in previous research on biosynthetic genes of lignin, but it has not been reported in response mechanism of structure and components of cell wall to the suppressed of the biosynthetic pathway of lignin in poplar. By means of the combination of high resolution microscopic imaging, spectroscopic microanalysis and cell chemical labeling, this project will systematically and deeply investigate the structure of cell wall layer, the thickness of cell wall, the process of lignin deposition, the structure of cellulose microcrystalline and the micro-area distribution of lignin and cellulose in xylem at different developmental stage of transgene poplar.The outputs will provide some science basis in comprehensive utilization of cell wall in transgene poplar including fiber papermaking, biomass conversion, biomimetic materials design and also have important guiding significance for theory in genetic breeding of forest tree by regulating lignin biosynthesis.

木质素和纤维素是林木细胞壁的关键组成成分，降低林木中木质素含量，将有利于纤维素的分解，对细胞壁在造纸及生物质能源利用等方面具有重要意义。前期研究调控木质素生物合成基因并获得了低木质素含量转基因杨树植株，但在杨树细胞壁构造及组分对木质素合成途径受阻的响应机制方面未见系统研究。本研究将集成应用高分辩率显微成像技术、光谱微区分析技术以及细胞化学标记等方法，对不同发育阶段低木质素含量转基因杨树木质部各类型细胞的细胞壁壁层结构、细胞壁厚度变化、木质素沉积过程、纤维素微晶结构以及木质素和纤维素微区含量分布等方面进行系统而深入的研究。研究成果将为转基因杨树木纤维造纸、生物能源转化、仿生物质材料设计等细胞壁的综合利用方面提供科学依据，并对调控木质素生物合成的林木遗传育种研究具有重要的理论指导意义。

木质素和纤维素是林木细胞壁的关键组成成分，降低林木中木质素含量，将有利于纤维素的分解。目前通过木质素基因工程能够抑制杨木细胞壁木质素生物合成从而降低其木质素含量。为了探明转基因杨树木质部细胞壁构造及组分对木质素合成途径受阻的响应机制。本项目主要做了以下研究工作：（1）低木质素含量转C3H和HCT基因杨树植株鉴定；（2）转基因杨树木质部细胞壁结构变化；（3）转基因杨树木质部细胞壁木质素微区变化；（4）转基因杨树木质部细胞壁纤维素变化。结果表明：（1）抑制杨木细胞壁木质素生物合成后进行分子鉴定，筛选出了C3H和HCT两个基因平均表达量下调达60%-64%的转基因杨树植株；（2）转基因杨木细胞壁主要化学组分结构与对照组杨木一致，但整体木质素含量较对照组杨木木质素含量下降达11%-16%，并且上、中、下三部分细胞壁木质素含量均低于对照组杨木； （3）转基因杨木细胞壁纤维和导管壁厚均较对照组变薄并且主要体现在细胞壁S2层上，纤维细胞和导管均呈现出壁薄腔大的特点，纤维壁腔比较对照组杨木的降低，并且转基因杨木平均纤维长度较对照组杨木增加约为5%（4）转基因杨木细胞壁木质素G单体在导管壁上均匀分布，S单体则在纤维细胞壁上均匀分布；抑制木质素合成基因的表达并没有改变木质素在细胞壁各壁层的沉积规律，分布规律仍均为细胞角隅(CC)浓度最大、其次是复合胞间层(CML)和次生壁(S2)；转基因杨木木质素单体结构含量发生变化，其较对照组杨木细胞壁木质素G和S单体相对含量下降而H单体含量增加；（5）抑制木质素生物合成基因的表达没有改变杨木细胞壁纤维素的晶区尺寸和细胞壁微纤丝的排列方向，但转基因杨木木质素含量降低后纤维素含量补偿性增加。以上研究成果将为转基因杨树木纤维造纸、生物能源转化、仿生物质材料设计等细胞壁的综合利用方面提供科学依据，并对调控木质素生物合成的林木遗传育种研究具有重要的理论指导意义。