葡萄糖醛酸脱羧酶在杨树体内的功能解析及在杨树材性改良中的利用

Conventional breeding is difficult to make a breakthrough change on timber properties. But molecular biology methods can modify wood property and shorten the breeding time, by using wood formation and regulation key genes. Plant hemicelluloses, the main component of lignocellulose, play very important roles in the paper industry and timber properties. As the main substrate of plant hemicellulose biosynthesis, UDP-Xylose is irreversibly catylated by glucuronic acid decarboxylase (UXS) from uridine diphosphate glucuronic acid (UDP-GlcA). Thus the UXSs have an extremely important role in the biosynthesis of hemicellulose in plants. Although, in vitro, the activity of some UXS have been determinated, up to now the function of the UXS in plant has never been reported..In this project, all 7 UXSs in poplar will be studied by genetic and melecular biology methods, protein structure and localization prediction indicated that 7 UXSs can be divided into 2 groups, one group is soluble protein which might located in cytosol, another group is membrane protein which might located in Golgi appartent. We will examine UXSs expression patterns in poplar, protein subcellular localization and enzyme activities. Further we will use RNA interference （RNAi）or/and CRISPR/CAS9 technology to downregulate two group genes, then study two group transgenic plant phenotype, cell wall component defection and relative defections on plant physiology. Meanwhile, we will compare cell wall saccharification efficiency among transgenic poplars and wild type poplars and analyze UDP-Xylose traficking from cytosol to Golgi. .This study will uncover our understanding of UXS regulating UDP-Xylose concentration and balancing hemicellulose synthesis in plant.

常规育种很难突破性地改变木材性状和培育出不同材质的林木新品种，而寻找木材形成与调控的关键基因，利用分子生物学的手段改良木材材质、可为缩短育种周期奠定基础。杨树木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，因而半纤维素在材性组成中起非常重要的作用。半纤维素合成的主要底物是UDP-木糖，它主要是由UDP-葡萄糖醛酸在UDP-葡萄糖醛酸脱羧酶（UXS）的催化作用下不可逆产生的，但目前为止还没有UXS在植物体内功能的报道。杨树共有7个UXS基因，结构预测它们可以分成胞质和高尔基体定位两组。本项目将通过RNA干涉或CRISPR/CAS9基因编辑技术，分析两组基因下调后杨树的表型、对半纤维素成分影响及对杨树生长的影响，分析比较UXS下调后杨树糖化效率，并探索UDP-木糖从胞质向高尔基体的转运，阐明UXS调控杨树半纤维素合成的机理。为林木材质基因工程改良打下基础。

与纤维素、木质素一样，半纤维素是植物次生细胞壁最主要的成分之一，在林木中半纤维素还是木材材质的重要组成部分，因而在林木的发育中起着至关重要的作用。但是目前植物半纤维素的结构、合成及调控机理还不清楚，尤其是底物UDP-木糖的合成、转运及对半纤维素合成的影响还有待于进一步深入研究。植物半纤维素合成的主要底物是UDP-木糖，它主要是由UDP-葡萄糖醛酸在UDP-葡萄糖醛酸脱羧酶（UXS）的催化作用下不可逆产生的。本项目通过UXS-GFP蛋白定位分析，我们明确了植物体内UXS基因可以分成胞质和高尔基体定位两组，并且胞质UXS酶活性要高于高尔基体UXS酶活性。进一步突变体分析表明：胞质UXS突变会直接产生不规则导管、木聚糖合成受到影响，而高尔基体UXS则没有影响，对胞质UXS突变体进一步分析表明半纤维素的分子量降低且糖化效率提高。接着我们分析了UDP-木糖从胞质向高尔基体转运的转运蛋白UXT，对UXT三个基因进行突变分析表明，uxt1/2/3三突变体产生不规则的木质部导管，进一步分析表明植物体内合成的UDP-木糖浓度没有变化，而细胞壁中的木糖含量下降，暗示了UDP-木糖转运受阻；细胞壁成分分析表明其半纤维素含量下降、半纤维素分子量减低且糖化效率提高。在此基础上我们还筛选了半纤维素木聚糖合成调控的关键转录因子，结果表明KNAT7可以直接调控半纤维素的合成，而且是正调控木聚糖的合成；另外我们还发现KNAT3和KNAT7功能冗余，共同调控次生细胞壁的合成。另外，我们还利用单糖分析、核磁、电镜、近红外等仪器分析了不同植物如黄粱木、毛竹等在木质化进程中半纤维素分子量大小、种类、侧链修饰、结构变化等，解析了半纤维素与木质化进程间的关系。项目执行期间共发表含标注的相关SCI文章15篇，其中SCI影响因子大于5.0的文章6篇。培养研究生8名。通过下调UXS 和UXT提高糖化效率分别授权获得国家发明专利。