中国林科院速生树木所在巨桉细胞壁中纤维素合成的分子调控机理解析研究中取得了重要进展

植物细胞壁是围绕在植物原生质体外的一种细胞结构。它对植物体的支撑、水分和养料的供给、植物形态建成和植物与环境的相互作用起着重要作用，与植物细胞分化、植物体生长发育也有密切关系。纤维素是细胞壁的重要结构物质，也是植物体中含量最为丰富的多糖聚合物，是森林木材中的重要组成成分，也是非粮食类生物质的主要成分。大量研究表明， 植物纤维素的生物合成是由植物纤维素合酶亚基A（cellulose synthase A, CesA）组成的纤维素合酶复合体（cellulose synthase complex, CSC）和其他酶共同完成的一个复杂过程。纤维素合成受严格而又复杂的转录调控系统协同调控，植物中除了CesA家族之外还有类纤维素合酶（cellulose synthase-like protein, Csl）家族参与纤维素的合成。众多的纤维素合成相关基因中，每一个基因都有其特殊的作用和功能，同一家族中不同的基因需要在不同的时间和空间表达。
速生树木所分子生物学课题组以6年生巨桉3个不同高度纤维素含量存在显著差异为突破点，对3个不同高度处未成熟木质部的转录组数据为基础，对100个纤维素合酶的转录本进行了生物信息学分析，分析了其编码蛋白的理化性质等，并结合qRT-PCR技术对6个EgCesA基因转录本和5个EgCsl基因转录本进行表达模式分析的结果表明纤维素合酶基因在巨桉木质部中表达量最高，其中EgCesA1, EgCesA3和EgCesA6与巨桉次生壁的合成相关，EgCesA4, EgCesA5和EgCesA7与巨桉初生壁合成相关。同时，基于巨桉的木材解析特征和理化性质对巨桉非编码RNAs（non-coding RNAs）在纤维素合成中的作用，筛选出了与巨桉纤维素合成密切相关的4个lncRNAs（long non-coding RNAs）和9个miRNAs，并建立了ceRNA（competing endogenous RNA）在巨桉纤维素合成过程中的调控网络。并且，利用转基因技术将EgrHEX4、EgrEXP1和lncRNA4在84K杨中进行了过表达分析，3个基因的转基因阳性84K杨植株中纤维素含量均有显著提高，由此进一步证明了巨桉EgrHEX4、EgrEXP1和lncRNA4在一定程度上能够促进纤维素的生物合成。本研究结果将有助于了解桉树生长发育的分子机制，为下一步利用现代基因工程技术，建立改造桉树纤维素含量和结构的理论和技术体系，培育速生优质的桉树新种质，促进桉树细胞壁生物质的高效利用奠定了理论基础。
研究结果以“Expression patterns and gene analysis of the cellulose synthase gene superfamily in Eucalyptus grandis”和“Expression Patterns and Regulation of Non-Coding RNAs during Synthesis of Cellulose in Eucalyptus grandis Hill”发表在Forests期刊。助理研究员刘果和博士研究生詹妮分别为两篇文章的第一作者，吴志华副研究员为通讯作者。本研究得到了中国林科院基本科研业务费专项资金项目的资助。（刘果/速生树木所）
论文链接：https://doi.org/10.3390/f12091254；https://doi.org/10.3390/f12111565
刘果 中国林科院速生树木所 2022-02-11

关键词 巨桉  细胞壁  纤维素合成  分子调控  机理解析  图片