木质素单体运输途径的解析与运输蛋白作用机制的研究

Lignin is a plant-unique secondary metabolite and the major component of cell wall. Lignin modification has great application in the improvement of bioenergy plants, livestock crops and paper pulping industry. Lignins are highly complex polymers of three different monomeric precursors, p-coumaryl, coniferyl and sinapyl alcohols. Lignin monomers are synthesized in the cytosol, but end up at various subcellular locations — the cell wall, the vacuole or the Golgi apparatus. Lignin biosynthesis is well understood, however the mechanism whereby lignin monomers are transported has remained elusive. The literatures demonstrated that lignin monomers and the glycosylated derivatives are transported by different kinds of transporters in an ATP-dependent manner，presumably the ABC transporters. Our preliminary data suggest that a putative ABC transporter could be involved in the transportation of the glycosylated derivative. We also identified eight other ABC transporters, the expression of which could be induced by exogenously applied lignin monomer. Taking advantage of the fact that Arabidopsis shows root development defect in response to exogenously applied lignin monomer, EMS mutant population will be screened to identify candidates with enhanced/reduced phenotypes. Genome-wide transcript analysis identified candidates with altered expression level compared to wild type control. The functions of interested candidates will be elucidated by using molecular/biochemistry techniques. It would help us to better understand the biological importance of monolignol glycosylation and suggest new direction of lignin modification in the future.

木质素是植物特有的次生代谢物也是细胞壁的重要组成成分。木质素基因工程改造是改良能源植物，优化畜牧业作物以及造纸工业的常用的重要手段。木质素是由三种单体组成的复杂聚合体，其合成途径分为单体合成，运输以及氧化聚合三部分。相对于解析比较完整的单体合成和聚合途径来说，大家对于运输机制却知之甚少。目前的最新研究指出木质素的单体和其糖基化衍生物由两种截然不同的被称为ABC的转运蛋白负责运输。我的前期工作发现在拟南芥中一个ABC转运蛋白的表达水平受糖基化衍生物影响，其缺失突变体有明显木质素化降低的表型，另外还筛选到8个受木质素单体调控的ABC转运蛋白。本项目利用拟南芥根发育对木质素单体处理的特异应答以及底物变化通常引发酶的相应变化的原理，拟结合筛突变体库，转录组等遗传学和生物化学手段揭示木质素单体运输机制。这对于未来解析糖基化修饰的目的，为木质素的基因工程改造提供新方向具有深远意义。

木质素是植物特有的第二大的生物多聚物,也是细胞壁的重要组成成分。木质素由于其在植物进化中的地位以及工业上的多种应用，多年来一直成为植物次生代谢领域中最受关注的研究方向之一。木质素是由三种单体组成的复杂聚合体，其合成途径分为单体合成，运输以及氧化聚合三部分。目前对木质素运输机制知之甚少。研究指出木质素的单体和其糖基化衍生物由两种截然不同的被称为ABC的转运蛋白负责运输。..本课题以拟南芥为材料，构建糖基化转移酶以及水解酶的转基因植株。利用液相色谱分析验证了木质素糖基化的合成变化。确定了转基因植株合成符合预期的糖基化衍生物。通过对木质素糖基化衍生物和单体本身过量累积的两种材料，进行了转录组分析。另外，体外木质素的处理诱导了8个候选的ABC转录蛋白基因。本课题进行了8个候选基因的功能性验证，包括基因敲除的植物表型分析以及过表达酵母对木质素单体耐受性等分析。研究还包括了正向遗传学筛选。木质素的处理使得拟南芥的根部生长发生抑制，且伴随木质素合成相关基因的抑制。针对拟南芥对木质素单体的特异识别，筛选突变体库，寻找响应发生变化的植株。为了避免基因冗余，用activation tag的突变体库进行筛选。但完成了基本可以涵盖大部分基因组的数目后，未发现植株发育异常。..研究表明拟南芥过量累积的糖基化衍生物没有特异诱导任何转运蛋白基因表达。也没有可见的植物表型。候选基因也没有数据支持其为木质素转运蛋白编码基因。..研究中发现了一个参与木质素前体运输的基因。该基因也与木质素合成基因共表达。但其功能需要进一步验证。就目前数据显示，该基因缺失导致木质素前体的大量减少。这对木质素合成的理解有了进一步的认识。