PvDOF3调控SAMS与COMT协同表达影响柳枝稷木质素合成的分子机制研究

Switchgrass is a multifunctional crop for feed and bioenergy production, and its cell wall is rich in fiber and hemicellulose. The degree of lignin methylation plays a key role in the cell wall saccharification efficiency. Therefore, improving the quality of the lignin is an important goal in switchgrass molecular breeding. S-adenosine methionine (SAM), the key molecule of one-carbon metabolism pathway, is the primary methyl donor molecular utilized in lignin biosynthesis. We find that the expression patterns of the SAM synthase gene SAMS and the O-methyltransferase gene COMT in lignin synthesis are highly consistent. Meanwhile, SAMS and COMT are functionally correlated. It is not clear how SAMS and COMT coordinately regulate the lignin biosynthesis in switchgrass. The main purpose of the project is to find the genes regulating synergistic expression of SAMS and COMT and analyze the molecular mechanism on how it affects lignin biosynthesis in switchgrass. The yeast one-hybrid assay shows that several transcription factors can coordinate with the promoters of SAMS and COMT, especially for PvDOF3. Moreover, we will elucidate a novel cooperative regulation mechanism of PvDOF3 regulating one carbon metabolism and lignin biosynthesis through a battery of in vitro (such as EMSA and dual-luciferase reporter assay) and in vivo (such as gene transformation and ChIP methods) experiments. This project will provide new target genes for lignin improvement in gramineae crops like switchgrass.

柳枝稷细胞壁富含纤维素和半纤维素，是重要的能饲兼用作物。然而由于细胞壁中木质素的存在，限制了上述多糖的有效利用，因此需要对柳枝稷木质素合成途径进行遗传改良。木质素单体的甲基化供体来自一碳代谢途径产生的S-腺苷甲硫氨酸（SAM）。我们研究发现，柳枝稷SAM合成酶PvSAMS和氧甲基转移酶PvCOMT的表达模式高度相关，而且抑制上述基因的表达均能够显著降低甲基化木质素单体的合成。但二者如何被精准调控影响木质素单体甲基化程度的机制尚不清楚。因此本项目拟利用酵母单杂交技术在柳枝稷中筛选共同调控PvCOMT和PvSAMS的转录因子，并进一步通过体外和体内分子实验解析候选转录因子（主要为PvDOF3）对PvCOMT和PvSAMS的协同调控机制。同时，通过系统分析转基因柳枝稷植株，解析PvDOF3对木质素合成、维管束形成及细胞壁降解效率的影响，从而为柳枝稷及其他经济作物的木质素改良提供更多新靶标。

柳枝稷是重要的能源和牧草作物，木质素的含量和组分决定了柳枝稷细胞壁品质，影响生物质能源转化效率和牧草饲料消化率。甲基化是木质素单体合成过程中的重要步骤，同时受到咖啡酸氧甲基转移酶（COMT）和甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的影响。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）负责SAM的合成，与COMT存在显著的共线性表达。通过酵母单杂筛库和启动子分析筛选到了潜在的协同调控转录因子PvDOF3，具有体外调控SAMS和COMT的功能。.为了进一步研究PvDOF3的体内功能，我们通过对PvDOF3基因过量表达获得阳性转基因植株。表达量分析表明，过表达植株中SAMS和COMT的表达量都受到显著的抑制，且抑制程度与PvDOF3的表达量正相关。对过表达植株茎秆的木质素分析发现，PvDOF3的过表达降低了木质素的总量，这主要是由于带有甲基化修饰的木质素G型和S型单体含量的降低。对甲基供体SAM及其去甲基形式SAH的含量分析发现，过表达植株中SAM的含量显著降低，导致SAM/SAH比值降低。这些结果共同说明，PvDOF3过表达导致的木质素含量和组分变化，来自于其对下游木质素代谢通路和一碳代谢通路的协同调控。.本研究首次报道了协同调控木质素单体合成和一碳代谢的转录因子PvDOF3，确定了该转录因子在体内和体外水平对靶基因SAMS和COMT的调控作用，同时解析了PvDOF3对木质素含量和组成的调控机制，对能源作物柳枝稷的品质改良具有重要的指导意义。同时，本研究中产生的柳枝稷新型种质资源与野生型相比生长不受影响，且具有更低的木质素含量，在生物能源领域具有重要的应用价值。