木材形成过程中次生壁沉积和细胞程序性死亡的分子调控机制

木材的形成经历了维管形成层细胞的增殖,木质部细胞的分化和扩张,次生细胞壁的沉积和细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)的过程.近年来,基于遗传学和组学分析,人们已经从模式植物拟南芥和杨树中鉴定出许多调控次生壁沉积的的关键转录因子和转录抑制因子.这些转录因子调控层次分明,共同构成次生壁沉积的转录调控网络,不仅在次生壁组分木质素、纤维素、木聚糖等物质的生物合成过程中起重要作用,而且可激活下游调控细胞程序性死亡相关的水解酶,启动木质部细胞的程序化死亡过程.对这些基因的生物学功能和调控网络进行解析,为阐明木材形成的分子生物学机制奠定了理论基础.本文综述了木材形成过程中次生壁沉积的转录调控网络和细胞程序性死亡相关的酶学机制及其最新研究进展.     

RNA干涉AtSUS3影响拟南芥SUS家族表达模式及角果成熟

蔗糖合成酶（SuSy）是植物蔗糖代谢的关键酶,在植物生长发育过程中起着重要作用.为研究拟南芥中SUS3的功能,构建RNAi-SUS3干涉载体,通过农杆菌介导的真空渗透法转化拟南芥.筛选获得纯系转基因植株后,对AtSUS家族进行表达分析,利用环境扫描电子显微镜观察转基因植株表型,并对转基因拟南芥角果进行木质素组织化学染色以及透射电子显微镜检测.结果表明,RNA干涉技术能够抑制AtSUS3的表达,正常培养条件下该基因沉默后对拟南芥的表型没有显著影响,但可引起角果中AtSUS1,AtSUS2和AtSUS4表达代偿性增加,使转基因植株角果内果皮层细胞次生细胞壁增厚,木质化程度加深,同时果瓣厚度也有增加趋势.结果提示,转基因拟南芥角果的发育较野生型植株更为优先,AtSUS3基因沉默可能有利于角果的成熟.     

拟南芥AtGA3OX1和AtGA3OX2基因影响茎秆次生细胞壁增厚的分子机理

赤霉素不仅对植物的种子萌发、叶片伸展和开花结果有重要的影响, 而且在茎秆的发育过程中扮演关键的角色。它的生物合成受到多种酶的调控, 其中赤霉素3-氧化酶(GA3OX)是关键的限速酶, 备受重视。拟南芥AtGA3OX 基因由4个成员组成, 其中A3OX1 和 AtGA3OX2 基因在茎中超量表达, 可能与茎的发育有关。目前, 尚未见到AtGA3OX1、AtGA3OX2基因调控次生细胞壁增厚的报道。文章以拟南芥AtGA3OX1 和 AtGA3OX2 基因双突变体atga3ox1atga3ox2为材料, 系统研究了AtGA3OX1和AtGA3OX2 基因对次生细胞壁的影响。结果表明：同时突变 AtGA3OX1和AtGA3OX2基因不仅显著抑制了茎秆次生细胞壁纤维细胞的增厚(对导管细胞没有影响), 而且也明显降低了次生细胞壁3个组分(纤维素、半纤维素和木质素)的含量。利用实时荧光定量PCR (qRT-PCR) 进一步分析次生细胞壁3个组分生物合成基因及相关的转录因子的表达情况, 结果显示这些基因在双突变体中均受到显著影响, 表明拟南芥AtGA3OX1和 AtGA3OX2 基因可能是通过调控这些转录因子进而调控了次生细胞壁的加厚。研究结果为基因工程调控拟南芥AtGA3OX1、AtGA3OX2 基因(或其他物种同源基因), 进而增强粮食作物抗倒伏性和提高能源植物纤维生物质量提供了理论依据。     

拟南芥RUS4基因沉默对花药药室内壁次生加厚的影响

RUS4是拟南芥DUF647蛋白家族的一个功能未知的成员。沉默RUS4基因引起植株育性严重下降,但育性下降的具体机制尚不清楚。该研究通过观察RUS4基因沉默突变体(称为RUSamiRNA)不同时期花的发育情况,发现其雌蕊发育正常,雄蕊花丝伸长正常,主要缺陷是花药不能正常开裂;通过对RUS4-amiRNA植株花药发育的细胞形态学观察,发现其药室内壁缺乏次生加厚;qRT-PCR分析表明, RUS4-amiRNA花蕾中与植物次生壁加厚相关的转录因子基因NST1、NST2、MYB103和MYB85以及纤维素合成基因IRX1、IRX3、IRX5和IRX8的表达均大幅降低。该研究表明,RUS4可能通过影响次生壁形成相关基因的表达参与花药药室内壁次生壁的形成。     

拟南芥MYB转录因子家族研究进展

在长期的进化过程中,植物形成了复杂的基因调控网络,调节其生长发育及生理代谢,以适应外界环境的变化,其中一种重要的方式是通过转录因子在转录水平上调控目的基因的表达。MYB转录因子作为拟南芥中最大的转录因子家族之一,广泛参与调节拟南芥的不同生理活动。现对拟南芥MYB转录因子的分类和生物学功能进行综述,其中重点阐述了其在细胞周期控制、次生代谢及不同逆境胁迫中的作用。     

白桦BpNAC012基因调控白桦木质部发育表达谱分析

NAC转录因子成员被认为是调控植物次生壁合成的开关。前期研究结果显示BpNAC012基因的表达能够调控白桦次生细胞壁的合成。为研究BpNAC012调控的下游靶基因,本研究分别以该基因的过表达,抑制表达株系茎为材料构建转录组,以野生型为对照分析差异表达基因。结果显示:与对照相比,过表达株系OE中上调的基因有627条,下调的基因有229条,抑制表达株系中上调的基因有299条,下调表达的基因有207条。过表达BpNAC012相对于抑制表达能够调控更多的基因表达变化。而抑制表达BpNAC012更多的是影响蛋白修饰和转运类基因的表达变化。在差异表达基因中,涉及受体信号通路,营养代谢,氨基酸合成,及苯丙烷生物合成相关代谢通路基因比较富集。BpNAC012能够调控纤维素、木质素合成及木质部发育相关基因的表达变化,同时能够调控多种转录因子的表达变化。该研究为深入分析BpNAC012在白桦次生细胞壁合成的分子调控机制奠定基础。     

中间锦鸡儿CCR2和CCR3基因的克隆和功能鉴定

肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoAreductase,CCR)是催化木质素合成特异途径的第一个限速酶,对木质素的合成起关键作用。从中间锦鸡儿中克隆了两个CCR基因,CiCCR2和CiCCR3,其中CiCCR2基因开放阅读框为897bp,编码299个氨基酸,CiCCR3基因开放阅读框为966bp,编码322个氨基酸。过表达CiCCR2和CiCCR3转基因拟南芥株系幼苗期和成熟期木质素含量均高于野生型,组织化学染色也表明转基因株系木质素积累较野生型拟南芥多,且转基因株系鲜重和干重显著高于野生型。     

红麻过氧化物酶基因分离、过表达载体构建及转化拟南芥分析

红麻是一种以收获韧皮纤维为主的经济作物,因其具有纤维产量高,抗逆境生长能力强等特点,在我国大部分地区都有种植。近年来,随着其韧皮纤维在纺织工业中的应用,红麻越来越受到育种家的高度重视。其韧皮纤维中木质素含量高低是限制其纤维品质好坏的重要因素之一,过氧化物酶基因在不同品质的木材中差异表达较为显著。为研究该基因在红麻(Hibiscus cannabinus L.)木质素合成过程中的作用,通过红麻转录组数据库筛选到过氧化物酶(Peroxidase)基因的核心片段,利用Tail-PCR技术获得了Peroxidase基因c DNA全长,命名为Hc POD。生物信息学分析表明:Hc POD基因编码序列长952 bp,编码316个氨基酸,相对分子量为33.9 k D,等电点为4.85。为进一步研究该基因的功能,本研究利用p CAMBIA1301载体作为骨架载体构建了红麻过氧化物酶基因过表达载体,利用花絮侵染法转化拟南芥。通过对转基因和非转基因植株体内木质素含量检测后发现,在拟南芥体内过表达红麻POD基因能显著提高拟南芥的木质素含量水平。研究结果为进一步分析该基因功能和了解红麻木质素合成的分子机制具有意义。     

蒙古冰草MwMYB4基因功能鉴定

MwMYB4基因是从蒙古冰草中克隆得到的MYB类转录因子家族成员之一。该研究以转MwMYB4基因的拟南芥后代为材料,通过在干旱和低温胁迫下对转基因植株进行表型分析、理化指标测试和分子鉴定,分析并验证MwMYB4基因的功能。结果显示:(1)蒙古冰草MwMYB4基因已成功整合到转基因拟南芥T_1代的基因组中并实现转录水平的表达。(2)转基因拟南芥T_2代植株在干旱胁迫条件下,转基因植株叶片枯黄程度较轻,相对电导率较野生型变化幅度低,脯氨酸含量明显高于野生型对照,且MwMYB4基因的表达量随干旱胁迫时间延长而增加。(3)在低温胁迫条件下,转基因拟南芥叶片的枯白程度明显低于野生型,且MwMYB4基因的表达量随低温胁迫时间增加而增加。研究表明,过量表达蒙古冰草MwMYB4基因能够提高转基因拟南芥对干旱和低温的耐受性,该基因可能在干旱胁迫和低温胁迫调控机制中发挥调控作用,可作为改良农作物和其他牧草抗旱、抗寒性的重要候选基因。     

拟南芥漆酶基因AtLAC4参与生长及非生物胁迫响应

植物漆酶基因家族在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中共有17个成员,目前各基因的具体功能尚不十分清楚.该研究利用过量表达的方法初步分析了拟南芥AtLAC4的功能.GUS染色显示AtLAC4在拟南芥的维管组织中有较强的表达,并在叶片排水器中特异表达.AtLAC4过量表达导致植株木质素含量增多、次生壁加厚、植株变小和莲座叶叶柄变短.ABA对AtLAC4的表达具有明显的诱导作用,AtLAC4过量表达植株对外源ABA敏感;干旱处理后,AtLAC4过量表达植株的耐旱能力比野生型明显增强.以上结果表明,AtLAC4基因在调控植物生长发育及非生物胁迫响应中具有重要作用.     

海岛棉GbHCT13基因的功能验证

该研究利用海岛棉‘新海21’和陆地棉ND203以及模式植物拟南芥,通过转基因及荧光定量检测等方法探究海岛棉GbHCT13基因(GenBank 登录号MW048849)在纤维发育中的功能。结果显示：(1)成功构建重组载体pCAMBIA3301 GbHCT13,经农杆菌介导法转化、除草剂抗性基因筛选、荧光定量检测方法鉴定获得转GbHCT13基因拟南芥T₃代植株4株;qRT PCR检测表明,转基因植株中GbHCT13基因表达量较野生型极显著增加。(2)转基因拟南芥过表达GbHCT13基因使植株同一时期的生长较野生型旺盛,株形、叶片数、抽薹数和茎秆表皮毛数量均与野生型存在差异;组织化学分析发现,转GbHCT13基因的拟南芥较野生型茎秆初生木质部生长活跃,导管增粗,次生木质部导管细胞壁横截面积变大,但髓质细胞无明显变化;过表达GbHCT13使拟南芥中木质素合成途径基因发生不同程度改变,其中CAD、CCoAOMT、PAL和4CL与GbHCT13基因的表达呈正相关。(3)经大田筛选、分子鉴定,成功获得转GbHCT13基因棉花植株3株;转GbHCT13基因棉花的棉纤维伸长率增加,纤维强度增大;沉默GbHCT13基因使棉花植株木质素含量降低,茎秆表皮毛数量减少,木质部导管细胞数量减少,导管细胞壁中木质素沉积量降低,而棉株并未发生株高上的明显矮化现象,且木质素合成通路中的CAD、CCoAOMT、CCR、PAL 4个基因的表达均呈降低趋势,说明抑制GbHCT13使得棉花生长代谢受阻,影响纤维发育起始。研究表明,GbHCT13基因能影响棉花植株中木质素合成从而调控纤维的生长发育,其功能与GbHCT13基因在模式植物拟南芥中的基本一致。     

Functional characterization of CCR in birch (Betula platyphylla × Betula pendula) through overexpression and suppression analysis

We cloned a Cinnamoyl‐CoA Reductase gene (BpCCR1) from an apical meristem and first internode of Betula platyphylla and characterized its functions in lignin biosynthesis, wood formation and tree growth through transgenic approaches. We generated overexpression and suppression transgenic lines and analyzed them in comparison with the wild‐type in terms of lignin content, anatomical characteristics, height and biomass. We found that BpCCR1 overexpression could increase lignin content up to 14.6%, and its underexpression decreased lignin content by 6.3%. Surprisingly, modification of BpCCR1 expression led to conspicuous changes in wood characteristics, including xylem vessel number and arrangement, and secondary wall thickness. The growth of transgenic trees in terms of height was also significantly influenced by the modification of BpCCR1 genes. We discuss the functions of BpCCR1 in the context of a phylogenetic tree built with CCR genes from multiple species.     

DIMINUTO 1 affects the lignin profile and secondary cell wall formation in Arabidopsis

Brassinosteroids (BRs) play a crucial role in plant growth and development and DIMINUTO 1 (DIM1), a protein involved in BR biosynthesis, was previously identified as a cell elongation factor in Arabidopsis thaliana. Through promoter expression analysis, we showed that DIM1 was expressed in most of the tissue types in seedlings and sectioning of the inflorescence stem revealed that DIM1 predominantly localizes to the xylem vessels and in the interfascicular cambium. To investigate the role of DIM1 in cell wall formation, we generated loss-of-function and gain-of-function mutants. Disruption of the gene function caused a dwarf phenotype with up to 38 and 23% reductions in total lignin and cellulose, respectively. Metabolite analysis revealed a significant reduction in the levels of fructose, glucose and sucrose in the loss-of-function mutant compared to the wild type control. The loss-of-function mutant also had a lower S/G lignin monomer ratio relative to wild type, but no changes were detected in the gain-of-function mutant. Phloroglucinol and toluidine blue staining showed a size reduction of the vascular apparatus with smaller and disintegrated xylem vessels in the inflorescence stem of the loss-of-function mutant. Taken together, these data indicate a role for DIM1 in secondary cell wall formation. Moreover, this study demonstrated the potential role of BR hormones in modulating cell wall structure and composition.