杨树PgAPY1/2在氮素调控木材纤维细胞壁形成中的作用机制研究

Nitrogen supply affects wood production and quality, as well as the content of cell wall polysaccharides and lignin. APYs are key enzymes for hydrolyzing intra-/extracellular nucleoside phosphates. APYs mediate the regulation of the formation of wood cell wall by nitrogen, but the specific mechanisms are still unclear. In this study, we will clone PgAPY1/2 genes from Populus alba×Populus glandulosa for functional analysis. Tag fusion expression vectors will be constructed to investigate the tissue and subcellular localization. To identify molecular functions of the PgAPY1/2 genes, we will analyze the enzymatic characteristics and nucleoside sugar transport using PgAPY1/2 overexpression and genomic-editing poplars. To elucidate the physiological pathway of nitrogen-regulated cell wall formation mediated by PgAPY1/2, we will analyze the chemical composition of the wood cell wall, the content of cell wall polysaccharides, the level of extracellular ATP, and the expression levels of eATP downstream genes, using Fourier infrared spectroscopy, immunofluorescence, qRT-PCR, respectively. Finally, we will elucidate physiological and molecular mechanisms underlying PgAPY1/2-mediated nitrogen regulation of cell wall formation in poplars. The output of this study will provide theoretic basis for the use of nitrogen to increase wood production and quality.

氮素是调控林木木材形成的主要环境因子，改变细胞壁多糖和木质素含量。申请人前期研究表明，水解细胞内/外核苷磷酸的关键酶APY1/2主要在维管组织表达，参与氮素调控木材纤维细胞壁的形成，但具体的作用机制尚不清楚。本项目以84K杨（Pg）为研究对象，在前期研究基础上，分析PgAPY1/2的组织和细胞定位；创制杨树过表达和基因敲除株系，鉴定PgAPY1/2的酶学特性；利用免疫荧光、高效阴离子交换色谱、qRT-PCR等技术分析氮素盈亏条件下各株系木材纤维细胞壁的组成、高尔基体核苷糖转运、细胞外ATP含量以及胞外ATP信号途径下游基因PER52等的转录表达模式，明确PgAPY1/2参与氮素调控细胞壁形成的生理途径，综合阐明PgAPY1/2在氮素调控木材纤维细胞壁形成中的作用机制。研究结果可为利用氮素提高木材产量与品质提供科学依据。

氮素盈亏影响木材产量与品质，改变细胞壁多糖和木质素含量。Apyrase (APY)是水解细胞内/外核苷磷酸的关键酶。APY介导氮素调控木材纤维细胞壁的形成，但具体的分子机制尚不清楚。本项目系统鉴定了84K杨中APY基因家族，明确了主要家族成员PgAPY1/2在氮素变化条件下的基因表达模式，揭示了PgAPY家族成员的亚细胞定位，并鉴定其酶学特征，揭示了PgAPY1/2基因的分子功能。在此基础上，获得了过表达PgAPY1.1的转基因杨树，分析了在氮素变化条件下野生型和转基因杨树的次生生长表型和细胞壁组分的变化，揭示了PgAPY1.1调控次生生长和细胞壁组分以维持细胞内的碳氮平衡的分子机制，并解析了下游信号调控途径，综合阐明了PgAPY1.1调控细胞壁形成适应氮素变化的分子机制。研究结果可为利用氮素提高木材产量与品质提供科学依据，为培育耐贫瘠的优质林木品种提供新思路。通过项目实施，发表SCI论文2篇，培养研究生2名。