973 2012CB114500 木材形成的調(diào)控機制研究

1、項目名稱：木材形成的調(diào)控機制研究首席科學(xué)家：盧孟柱 中國林業(yè)科學(xué)研究院起止年限：依托部門：國家林業(yè)局一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容擬以楊樹等主要用材樹種為研究材料，采用次生維管組織再生及離體培養(yǎng)等實驗系統(tǒng)，利用遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等研究手段，研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的合成機理；解析細胞壁主要成分協(xié)同排列、沉積及遺傳因子對該過程的調(diào)控機制；闡明激素、多肽、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子等對木質(zhì)部細胞分化的調(diào)控，以及材性相關(guān)基因位點的基因組定位及遺傳效應(yīng)分析。為速生樹種材性改良的分子品種設(shè)計提供理論和技術(shù)支持。1纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的合成與調(diào)控以楊樹等材料為研究對象，解析纖維素合酶

2、復(fù)合體結(jié)構(gòu)與作用機制；研究MYB、NAC等轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控CESA基因及纖維素合成中的影響以及相關(guān)蛋白KOR、BC1和BC15與纖維素合酶復(fù)合體的互作及功能，闡明它們參與纖維素合成的分子機制；研究CSLD5、CSLD6、BC11、BC14等同源基因在木聚糖合成中的功能，解析半纖維素（木聚糖）合成機理及這些基因與纖維素合成關(guān)鍵基因互作、應(yīng)答的機制；次生壁木質(zhì)素合成關(guān)鍵基因（4CL基因和CAld5H基因）的調(diào)控機理，鑒定直接調(diào)控木質(zhì)素合成的MYB類轉(zhuǎn)錄因子的功能。2細胞壁形成與木材材性的調(diào)控利用應(yīng)拉木形成體系研究細胞壁形成過程中起調(diào)控作用的miRNA，并從基因組水平鑒定楊樹miRNA的靶基因，及其對

3、木材細胞壁形成的影響機制；基于已有的轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，對楊樹中參與細胞壁形成的關(guān)鍵基因進行深入的轉(zhuǎn)錄調(diào)控分析，篩選與次生壁加厚相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，研究其作用模式和調(diào)控機制；開展細胞骨架調(diào)控纖維素沉積的分子機理，包括微管、目標蛋白和細胞壁三者間的調(diào)控關(guān)系和作用方式，揭示微纖絲角度和纖維聚合度與纖維素的沉積與組裝的關(guān)系。3.形成層干細胞維持、分化以及木質(zhì)部發(fā)育的調(diào)控機制利用次生維管再生等系統(tǒng)，研究激素、短肽、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子和轉(zhuǎn)錄因子等對形成層細胞發(fā)生、分化以及次生木質(zhì)部不同細胞類型發(fā)育的的影響，揭示控制不同管狀分子、纖維分子類型的調(diào)控因子，闡明其作用機制；利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得不同調(diào)控因子表達水平的楊樹材料，分

4、析形成層模式變化并結(jié)合芯片技術(shù)分析全基因表達譜的變化，揭示細胞分化相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；分析導(dǎo)管分化模式與細胞程序化死亡關(guān)系，特別是分析不同類型細胞PCD上游起始因子的特性。4.木材和材性形成的比較基因組學(xué)利用生物信息學(xué)、系統(tǒng)發(fā)育和比較基因組學(xué)等手段，比較不同材性林木（10個）和草本（35個）物種中纖維素、細胞壁沉積和木質(zhì)部細胞分化等相關(guān)基因（基因家族）的保守與變化式樣；重點闡述木材及材性基因的共性和特性；篩選木材和材性形成與調(diào)控中尚未被仔細研究過的關(guān)鍵基因，通過楊樹等模式植物進行轉(zhuǎn)基因功能驗證。5.木材品質(zhì)性狀QTL定位、解析與克隆利用楊樹、桉樹等種質(zhì)資源材料及雜交群體，進行木材品質(zhì)性狀QTL分析，

5、通過目標基因組局部區(qū)域圖譜加密和增加作圖個體數(shù)量，提高QTL定位精度；分析QTL與環(huán)境的互作以及QTLs之間的上位性效應(yīng)，分析材性相關(guān)eQTL的基因組分布特征及效應(yīng)；主效QTL區(qū)間序列測序，發(fā)現(xiàn)作圖親本在相應(yīng)區(qū)域的雜合基因位點；利用生物信息與圖位克隆相結(jié)合的方法，克隆主效基因；對克隆的主效基因開展表達調(diào)控研究，并探討相應(yīng)基因在木材形成中的作用。6.木材品質(zhì)性狀的聯(lián)合遺傳學(xué)研究以重要用材樹種的自然群體為試材，采用全基因組和候選基因的聯(lián)合遺傳學(xué)策略，系統(tǒng)地鑒定重要木材纖維性狀形成關(guān)鍵基因的功能、等位基因序列變異和等位基因效應(yīng)，開發(fā)功能SNP標記；研究基因內(nèi)與基因間SNP位點及其組成的單倍型對木材性

6、狀的遺傳效應(yīng)，及遺傳互作方式；發(fā)掘一批在林木自然群體中具有育種價值的功能SNP位點，初步建立林木木材品質(zhì)優(yōu)異新種質(zhì)的早期篩選與鑒定技術(shù)體系。二、預(yù)期目標1.總體目標本項目針對嚴重制約我國人工林木材品質(zhì)改良的問題，圍繞木材形成的遺傳調(diào)控這一重大科學(xué)問題，以楊樹等我國主要用材樹種為研究材料，應(yīng)用基因組學(xué)、分子遺傳學(xué)、生物信息學(xué)等理論和技術(shù)，研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的合成機理, 解析細胞壁主要成分合成、排列、沉積的調(diào)控機制；揭示激素、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子等對木質(zhì)部細胞分化的調(diào)控機制；分析控制木材品質(zhì)性狀的遺傳位點及遺傳效應(yīng)，構(gòu)建調(diào)控木材材性改良的模型，為品質(zhì)改良的分子設(shè)計提供依據(jù)；發(fā)掘品質(zhì)改良重要的調(diào)控

7、因子，包括染色體區(qū)段/基因簇/基因/等位基因、miRNA等；提出針對不同材質(zhì)分子設(shè)計策略、方法，為新品種培育提供理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。 通過項目的實施，將進一步提升林木木材形成的調(diào)控理論，提高我國林木育種在理論和技術(shù)上的原始創(chuàng)新能力；建立林木材性改良的分子技術(shù)體系，為優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)林木育種提供支撐；保持我國在人工林特別是速生林木品種培育的國際先進地位，最終為我國木材安全提供理論和技術(shù)保障。 2.五年預(yù)期目標 （1）闡明細胞壁主要化學(xué)成分的合成、纖維沉積方式的調(diào)控機理，鑒定出主要的調(diào)控因子。 （2）揭示形成層干細胞維持、分化以及木質(zhì)部不同類型細胞發(fā)育的遺傳調(diào)控機制，鑒定出重要調(diào)控因子。 （3）解析木材品質(zhì)

8、性狀形成相關(guān)基因片段/基因簇/基因，開發(fā)基于功能基因的分子標記，初步建立一套林木木材品質(zhì)優(yōu)異的新種質(zhì)早期篩選與鑒定技術(shù)體系。（4）鑒定遺傳因子80-100個、遺傳標記120-150個，獲得調(diào)控木材形成的遺傳因子（基因片段/基因簇/基因及miRNA等）20-30個；分子標記10-15個；獲得木材品質(zhì)顯著改良的新種質(zhì)20-30份。 （5）培養(yǎng)碩士、博士研究生80-100名，培養(yǎng)青年學(xué)術(shù)骨干8-10人。 （6）發(fā)表SCI論文70-80篇（累計影響因子200以上）；申請專利15-20項。三、研究方案1. 學(xué)術(shù)思路 木材形成是一個復(fù)雜的多基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，涉及木質(zhì)纖維的合成及在細胞壁上的沉積，木質(zhì)部不同細胞

9、類型的分化以及個體多年徑向生長等過程的調(diào)控。因此，以模式草本植物為研究材料取得的成果需要在木本植物上加以驗證，而且要針對林木本身，進行木材形成的調(diào)控機制研究，才能獲得系統(tǒng)性強、具有應(yīng)用前景的研究成果。木材材性的調(diào)控包括了從亞細胞（細胞壁）、細胞、組織到個體的各個層次，需要圍繞核心科學(xué)問題即木纖維的合成、細胞壁沉積方式、木質(zhì)部不同類型細胞的分化和材性的遺傳調(diào)控，運用分子遺傳學(xué)、生物化學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等理論和方法，分離和克隆細胞壁和木纖維形成的關(guān)鍵基因并分析其功能；利用細胞學(xué)以及轉(zhuǎn)錄組等手段研究木質(zhì)部細胞分化的遺傳調(diào)控；利用比較基因組學(xué)研究不同材性物種的共性與特性，篩選材性控制的關(guān)鍵基因和

10、關(guān)鍵位點；利用轉(zhuǎn)基因、QTL以及群體遺傳學(xué)等手段，揭示關(guān)鍵基因變異對材性的影響，為我國速生優(yōu)質(zhì)林木培育提供原創(chuàng)性的理論和技術(shù)。2. 技術(shù)途徑 本項目將根據(jù)總體目標和目前該學(xué)科的發(fā)展趨勢，充分利用已有的楊樹、桉樹等基因組信息、已構(gòu)建的多種林木遺傳圖譜和功能基因組研究資源平臺，從分子、細胞、組織、個體、群體等層面上系統(tǒng)解析木材形成的遺傳調(diào)控機制。在分子水平上，針對木材主要結(jié)構(gòu)組分（纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等），采用正向與反向遺傳學(xué)等策略闡明其生物合成的分子基礎(chǔ)。在細胞水平上，針對木材細胞壁沉積與加厚過程，利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、分子生物學(xué)與生物化學(xué)的手段揭示細胞壁形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，闡明細胞骨架調(diào)控纖維素沉積

11、的基礎(chǔ)。在組織水平上，利用細胞生物學(xué)、功能基因組學(xué)等手段研究木質(zhì)部細胞分化的遺傳調(diào)控機理。在群體水平上，組合利用基于自然群體的聯(lián)合遺傳學(xué)及基于家系的QTL作圖技術(shù)檢測控制木材品質(zhì)性狀QTL的效應(yīng)，分析重要基因的功能，解析基因內(nèi)具有育種應(yīng)用價值的功能SNP標記位點。在物種水平上，利用比較基因組、生物信息學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)等手段，研究物種間木材與材性形成基因的共性與特性。最終闡明木材形成和木材品質(zhì)性狀遺傳控制的機制，為木材材性定向分子設(shè)計與改良奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 主要研究路線如下圖：四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標第一年1. 確定調(diào)控CESA基因表達或纖維素合成的MYB和NAC類轉(zhuǎn)錄因子，開展候選轉(zhuǎn)錄因

12、子的功能研究；完成參與纖維素合成的關(guān)鍵蛋白BC15和BC1的功能研究。2. 分析和鑒定木本和草本植物miRNA的差異，以及對木材細胞壁形成的關(guān)聯(lián)。3. 篩選參與形成層細胞發(fā)生、分化的基因及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子；訂購擬南芥同源基因突變體，完成株系純化，進行部分雜交實驗。4. 完成胡楊和鵝掌楸兩個林木物種的基因組精細結(jié)構(gòu)分析和基因精確注釋，預(yù)測與木材形成相關(guān)的基因。5. 完成與木材品質(zhì)性狀相關(guān)的分子標記標記開發(fā)，并進行作圖標記篩選。6. 分離在木質(zhì)部高豐度差異表達的100個酶基因或轉(zhuǎn)錄因子基因，并分析其序列變異模式、SNPs與INDELs多樣性。1. 確定調(diào)控CESA基因表達或纖維素合成的MYB和NAC類

13、轉(zhuǎn)錄因子，完成參與纖維素合成的關(guān)鍵蛋白BC15和BC1的功能研究；鑒定和克隆木材細胞壁形成的關(guān)鍵基因10-15個；分離形成層和次生維管組織特異表達的基因；完成對胡楊和鵝掌楸的基因組分析；完成種質(zhì)材料材性狀狀表型變異分析研究，開發(fā)并篩選用于作圖的分子標記；獲得在木質(zhì)部高豐度表達的100個酶基因及轉(zhuǎn)錄因子基因在林木自然群體中的SNPs與INDELs序列多樣性。2. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文14-16篇，申請專利3-4項，培養(yǎng)研究生18-20人。第二年1. 明確MYB和NAC類轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控CESA基因表達或纖維素合成中的功能，開展CSLD5、CSLD6在木聚糖合成中的功能研究。2. 解析特異參與形成層分化和應(yīng)

14、拉木形成的miRNA的作用機制。3. 進行轉(zhuǎn)基因和突變體植株分析；研究Caspase-3蛋白酶活性的基因在管狀分子分化、次生壁形成中的作用。4. 鑒定出參與木材發(fā)育與材性形成過程的相關(guān)基因和基因家族，以及物種材性差異形成的特異基因。5. 構(gòu)建木材品質(zhì)性狀QTL定位群體的遺傳圖譜。6. 選用準確、高效的SNP或INDEL基因型分析方法對上述候選的SNPs與INDELs位點進行群體中每一單株的基因型測定和分析。1. 明確MYB和NAC類轉(zhuǎn)錄因子類在調(diào)控CESA基因表達和纖維素合成中的功能，完成CSLD5、CSLD6等基因的功能研究；完成2-3個木材細胞壁形成的關(guān)鍵基因功能的解析；獲得與次生生長相關(guān)

15、的擬南芥突變體，并通過互補試驗、雜交試驗研究相關(guān)基因功能；揭示木材形成和材性調(diào)控的關(guān)鍵基因、物種特異性的新基因與基因關(guān)鍵位點；構(gòu)建木材品質(zhì)性狀作圖群體的基本遺傳圖譜；獲得SNP或INDELs位點在林木自然群體或雜交群體中的基因型，并建立這些位點的基因型數(shù)據(jù)庫。2. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文13-15篇，申請專利4-5項，培養(yǎng)研究生17-19人。第三年1. 完成楊樹等植物纖維素合酶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與作用機制研究；深入研究KOR、BC15、BC1同源基因在楊樹中的功能。2. 完成2-3個木材細胞壁形成的關(guān)鍵基因功能的解析；應(yīng)用功能解析的新基因，通過基因工程手段，開展細胞壁改造的研究。3. 利用生物信息學(xué)技術(shù)研究影

16、響形成層活動、維管組織細胞分化以及次生壁形成基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；研究生長素相關(guān)基因、CLE多肽及其受體激酶、NAC基因家族、Caspase-3蛋白酶等基因?qū)π纬蓪踊顒?、木質(zhì)部細胞類型、細胞壁厚度及纖維長寬等的影響。4. 確定相關(guān)基因在木材發(fā)育和材性形成調(diào)控過程中的表達模式，進一步篩選木材與材性形成的相關(guān)基因。5. 定位木材品質(zhì)性狀相關(guān)的QTL及eQTL，并分別闡明檢測到的QTL的效應(yīng)。6. 在全基因組水平上研究基因間SNP或INDELs等位位點及其組成的單倍型對木材品質(zhì)性狀的遺傳效應(yīng)與互作方式。1. 初步揭示KOR、BC15和BC1在木材品質(zhì)中的作用；完成2-3個木材細胞壁形成的關(guān)鍵基因功能的解析；

17、初步探討相關(guān)基因調(diào)控形成層活動、維管組織細胞分化以及次生壁形成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，通過擬南芥互補、雜交等試驗，探討擬南芥同源基因在形成層活動和次生維管組織發(fā)育中的作用；建立“木材與材性基因數(shù)據(jù)庫”，從基因序列及其表達模式上揭示木材形成和材性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)基因，并確定參與木材形成和決定木材品質(zhì)性狀的關(guān)鍵基因；確定材性主效QTL，完成主效QTL的物理定位；獲得與木材品質(zhì)性狀顯著連鎖的SNP或INDELs位點200個，開發(fā)具有材性育種價值的100個功能SNP標記。2. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文15-17篇，申請專利2-3項，培養(yǎng)研究生19-21人。第四年1. 探究纖維素合成關(guān)鍵基因?qū)δ静牟男缘呢暙I及影響；完成半纖維

18、素木聚糖合成機理的研究。2. 完成2-3個木材細胞壁形成的關(guān)鍵基因功能的解析；利用轉(zhuǎn)基因植物，開展細胞壁形成調(diào)控因子與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析；3. 分析楊樹和擬南芥中調(diào)控機制的差異；分析導(dǎo)管、纖維分化模式與細胞程序化死亡的關(guān)系;結(jié)合基因芯片雜交結(jié)果，探討木材形成的分子機制。4. 根據(jù)已建立的木材與材性基因數(shù)據(jù)庫，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將尚未被仔細研究過的物種特異性基因轉(zhuǎn)入楊樹和擬南芥等模式物種中進行功能驗證.5. 克隆控制木材品質(zhì)性狀的主效基因，并開展主效基因功能的生物信息學(xué)分析;利用聯(lián)合遺傳學(xué)實驗和過表達分析等手段對基因功能進行實驗驗證。6. 利用對甲基化敏感的擴增方法（MSAP）研究自然群體中DNA甲基化位點多樣性水平，及DNA甲基化對木質(zhì)部組織發(fā)育的影響。1. 完成木質(zhì)素合成的調(diào)控機理研究；解析特異參與形成層分化和應(yīng)拉木形成的miRNA的作用機制；揭示植物激素、下游信號分子、轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控形成層