microRNA408参与调控杨树木质化及次生生长的研究

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中文摘要：次生生长是由维管形成层产生的一系列活动的过程，是木本植物中最重要的生命活动。木质素，仅次于纤维素，不仅是陆地生物圈中最丰富的有机化合物，而且能够增强植物机械强度、疏导水分和抵御病原菌的侵害。木质素是限制植物细胞壁酶解利用的主要成分，通过基因工程的方法能够减少木质素的含量或改变其结构，从而使其利于生产和实践。然而，改变木质素的组成和含量会对植物生长产生多种不利影响，甚至导致植物矮化。因此，平衡植物体内木质素含量和植物生长的关系，对于培育高效林业生物质能源树种，具有重要的意义。本研究以84K杨(Populusalba×Populusglandulosa)为研究材料，通过构建Pag-miR408的超表达载体35S::MIR408，CRISPR/Cas9载体和pMIR408::GUS载体，遗传转化84K杨得到稳定表达的转基因植株。运用分子生物学技术、细胞学分析、生理指标检测、高通量测序及生物信息学分析，结合细胞壁非标记成像技术激光共聚焦拉曼显微术(ConfocalRamanmicrospectroscopy,CRM)、受激拉曼散射显微术(StimulatedRamanscatteringmicroscopy,SRS)以及细胞壁组分分析技术核磁共振光谱术(Nuclearmagneticresonancespectroscopy,NMR)等，深入开展了miR408参与调控杨树次生生长和木质化过程的研究。主要结果如下： (1)杨树Pag-MIR408特异性表达模式分析表明，miR408成熟序列在所有检测的组织均有表达，在根、幼茎、成熟叶片中表达量较高；在茎干中，维管形成层中的表达量最高，成熟木质部中的表达量最低。 (2)杨树Pag-MIR408转录调控机制分析表明，miR408的表达受铜离子浓度的影响，低浓度促进其表达，而高浓度抑制其表达。 (3)miR408-OX植株株高平均增高25.89%，茎干平均增粗21.87%，而节间数没有明显变化。miR408-OX植株的形成层层数、木质部区域、导管数目和直径、木质部细胞数目均明显增加。此外，光合速率测定发现，过表达植株的净光合速率比野生型显著增强。 (4)过表达Pag-MIR408能够推迟茎干的木质化，降低次生木质部细胞壁上木质素的含量，使茎干木质素总量下降11.00%-12.84%。同时，过表达Pag-MIR408能够改变木质素的单体组成和键连方式，使S/G的比例下降，β-5连接方式明显增加。 (5)miR408能够靶标漆酶(Laccase,LAC)，通过下调LACs来影响木质素单体的氧化聚合。同时植物体内下降的木质素也能影响内转糖苷酶基因(Endotransglycosylase,XTH)和果胶酯酶基因(Pectinesterase,PE)的表达量，从而引起细胞壁重塑。 (6)过表达Pag-MIR408能够在不经酸预处理的情况下，显著提高茎干的糖化效率。 (7)成功采用CRISPR/Cas9技术，获得Pag-MIR408前体序列缺失纯合突变体，并且发现突变体中细胞壁厚度明显较WT下降。综上所述，本研究阐明了miR408在木本植物中的主要功能，尤其是其在降低木质素含量，促进杨树生长和增加糖化效率方面具有重要的应用价值。

作者：

郭亚玉

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关键词：

杨树 miR408 次生生长木质化木质素漆酶糖化效率

授予学位：

博士

学科专业：

细胞生物学

导师：

林金星

学位年度：

2020

学位授予单位：

北京林业大学

语种：

中文

中图分类号：