超量表达NaSUSs基因对梁山慈竹纤维素生物合成调控效应的研究

Bamboo fiber is preferred for the paper and pulp production worldwide due to its mechanical strength attributable to the high specific gravity and longfiber length. However, there is few systematic analysis of genes involved in bamboofiber development. What’s more,many questions related to the biosynthetic mechanism of fiber in plants still remain unclear. In recent years, some findings clearly implicate SuSy as a key regulator of sink strength in plants and demonstrate the tight association of SuSy with cellulose biosynthesis and secondary wall formation. But it is not clearly that if there is directly relationship between SuSy and fiber develepment..Native to Sichuan province of China, Dendrocalamus farinosus is an important sympodial bamboo species with more cold tolerance and high yield. It produces good-quality wood for pulping. Genetic improvement is important for the development of Dendrocalamus farinosus to increase quality and yield. Therefore, the overall objective of this proposal is to investgate functions of NaSUSs in biosynthesis of bamboo fiber in Dendrocalamus farinosus. Overexpression of NaSUSs genes in Dendrocalamus farinosus through Agrobacterium-mediated transformation and transgenic plants will be obtained. The cellulose content and physiological and biochemical characteristics of transgenic plants were studied. It aims to obtain the transgenic plants with high cellulose content.

竹纤维细长，是除木材外的重要造纸纤维原料。在四川已经形成了以慈竹和梁山慈竹为原料的竹浆造纸工业产业链，然而在竹纤维的生长发育方面，其分子水平上的研究报道极少。近年来部分研究发现，蔗糖合酶（SuSy）与纤维素的合成、次生壁的构建密切相关，是纤维素合成途径中的关键酶，但其与纤维素合成体系之间是否存在直接关联尚不清楚。因此，本研究以梁山慈竹（Dendrocalamus farinosus）为研究对象，在已建立梁山慈竹遗传转化体系和克隆了慈竹蔗糖合酶基因NaSUS1-NaSUS5的基础之上，拟利用转基因技术超量表达NaSUSs，分析其表达水平对梁山慈竹纤维素含量、形态以及细胞壁特性的影响。重点探讨NaSUSs基因表达水平与竹纤维生物合成的联系，明确各个NaSUS基因在梁山慈竹竹纤维合成过程中的具体作用，拟筛选出具有明显高纤维含量的转基因梁山慈竹。

蔗糖合酶(SUS, EC 2.4.1.13)是糖代谢的关键酶。本研究根据水稻SUS基因，在慈竹高通量数据库中筛选并克隆得到7个慈竹BeSUSs，依次命名为BeSUS1-7。生物信息学分析显示，这7个BeSUSs基因均具有较为典型的N端蔗糖合成功能域以及C端糖基转移结构域。组织表达分析发现，这7个BeSUS基因在慈竹各个组织中均有表达，但表达模式各不相同。其中BeSUS2主要在根中表达，而BeSUS5则在发育中的笋中表达量最高，这暗示了这两个基因在根和笋的发育过程中可能起着重要作用。为了进一步探明这些SUS基因的功能，我们分别用ABA、MeJA、干旱胁迫以及2,6-DCB (2, 6-dichlorobenzonitrile, 一种纤维素抑制剂)处理了一年生的慈竹苗，qRT-PCR分析显示，BeSUS1, 5 和7 三个基因不但响应ABA处理还响应MeJA的处理，外施ABA与MeJA，三个基因表达量均上调；在干旱胁迫下，BeSUS 6和7表达量明显上升；此外，外源喷施了2,6-DCB后，梁山慈竹叶片中纤维素含量明显下降，相应的BeSUS2, 3 and 7 的表达水平明显下降，而BeSUS 5 和 6 表达量却明显升高。这意味着在糖代谢、应对非生物胁迫以及竹纤维素合成过程中SUS各同源基因之间发挥的作用可能存在差异。结合组织表达分析结果，我们初步推测BeSUS5可能与竹纤维素的合成有明显联系。超量表达BeSUS5后，转基因植株出现叶片淀粉、可溶性糖下降而茎段纤维素含量上升等现象，同时转基因植株出现茎段韧皮部增厚、纤维更细，纤维长宽比升高等特点，由此我们推测BeSUS5基因在纤维素合成或者在调节C分配时起着重要作用。该项目的完成完善了对竹SUS功能的认识，为高纤维纸浆用竹品质的选育奠定了基础。