生长素介导杨树PdC3H17-PdMYB199功能模块调控木材形成的分子机制

Wood, a dominant terrestrial biomass, is used for myriad applications such as construction, paper making, pulping and as a feedstock for biofuels. It’s known that cambium development, xylem differentiation, and cell wall thickening during wood formation are affected by auxin. However, it is not clear how these processes are regulated by auxin. Recently, we have demonstrated that poplar CCCH transcription factor PdC3H17 positively regulates xylem differentiation and cell wall thickening, and may constitute a functional module with PdMYB199 to control these two processes through auxin pathway. Based on the above results, this project aims to characterize the biological role of poplar PdMYB199 in wood formation using TEM, immunolacolization and HPLC, identify the up/down-stream regulatory genes of PdC3H17-PdMYB199 module using Y1H, Y2H, microarray, ChIP-Seq and EMSA, and finally to clarify the regulatory mechanism of auxin-mediating PdC3H17-PdMYB199 module in wood formation. The results in this project may provide the theoretical basis for genetic engineering of wood quality and quantity in tree species.

木材是造纸、板材及生物能源等工业的主要原材料，其形成由一个复杂的分子网络调控。其中，生长素在林木茎秆形成层形成、木质部分化及细胞壁增厚过程中均起关键作用，但其具体的分子调控机制不清楚。我们前期研究表明，杨树PdC3H17基因正调控茎秆木质部分化和细胞壁增厚，可能与PdMYB199基因形成功能模块，通过生长素途径共同在木材形成中发挥作用。本项目在此基础上拟通过透射电镜、免疫定位和高效液相色谱（HPLC）等技术深入分析杨树PdMYB199基因在木材形成中的生物学功能，通过酵母单/双杂交、基因芯片、ChIP-Seq和EMSA等技术鉴定PdC3H17-PdMYB199功能模块参与木质部形成的上、下游调控基因，最终解析生长素介导PdC3H17-PdMYB199功能模块调控木材形成的分子机制，为利用基因工程手段定向遗传改良木材产量和品质奠定基础。

木材是造纸、板材及生物能源等工业的主要原材料，它的形成涉及到一个复杂的分子网络。生长素在木材形成过程中起关键作用，但其具体的分子机制不清楚。我们前期研究表明，杨树PdC3H17正调控木材形成，是木材形成第二层调控枢纽PdMYB3/21的靶基因。本项目鉴定并功能证实生长素诱导PaC3H17-PaMYB199功能模块双重调控木材形成层分裂。PaC3H17和PaMYB199均在木材形成组织大量表达，但在调控木材形成层分裂中起相反作用。在分子水平上，PaC3H17直接抑制PaMYB199表达，二者编码蛋白相互作用，可能形成一个功能模块共同调控木材形成。更为重要的是，生长素促进这个功能模块发挥作用。在生长素存在的情况下，PaC3H17更为强烈地抑制PaMYB199表达，大大解除PaMYB199对下游木材相关靶基因的抑制，进而促进木材形成层分裂。与此同时，PaC3H17也能与少量PaMYB199蛋白互作，将其从靶基因启动子区解离，进一步增强这些靶基因表达。我们首次在木本植物中功能鉴定了一个生长素诱导的功能模块，为利用基因工程定向改良木材产量和品质奠定了基础。在完成既定任务之外，本项目对原有内容进行了适度延伸，发现油菜素内酯（BRs）和生长素（Auxin）协同调控PaC3H17参与木材形成。PaC3H17是BR信号核心转录因子PaBES1的直接靶基因。BR处理明显减弱auxin诱导PaC3H17调控木材形成。本项目资助发表相关SCI论文4篇（包括1篇TOP期刊New Phytologist）、中文核心2篇、申请专利3件（授权2件）、荣获省/部级自然科学奖1项，超额完成了预期目标。课题负责人获得2020年度“泰山学者青年专家”称号，3名博士后出站，3名博士研究生取得博士学位。