兴安落叶松UGPase和UGDH增强转基因植物营养生长和耐寒性的分子机理

UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase) and UDP-glucose dehydrogenase (UGDH) are key enzymes in the biosynthesis pathway of cellulose and hemicelluloses, respectively. In previous studies, we isolated orthologs of UGPase and UGDH, referred to as LgUGPase and LgUGDH respectively, from Larix gmelinii using homology-based cloning method, and investigated functions of the two genes by transforming Arabidoposis. The results showed that overexpression of LgUGPase and LgUGDH increased the contents of celluloses and hemicelluloses, and significantly enhanced vegetative growth of transgenic A. thaliana. On the other hand, overexpression of LgUGDH significantly enhanced cold-tolerance in transgenic A. thaliana, the transgenic plants showed normal vegetative growth under low-temperature (4°C) condition. These results revealed the important value of LgUGPase and LgUGDH in genetic improvement of forages and forest trees. In the project, we plan to analyze the molecular mechanism of LgUGPase and LgUGDH enhancing vegetative growth and cold-tolerance in transgenic plants using molecular biological techniques, such as mRNA sequencing, fluorescence complementation (BiFC) and co-immunoprecipitation (Co-IP) etc. The expectant results will provide theoretical and experimental basis for understanding functions and characteristic of the LgUGPase and LgUGDH genes, and for their application in genetic breeding of forages and forest trees.

UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）和UDP葡萄糖脱氢酶（UGDH）分别是植物纤维素和半纤维素生物合成途径中的关键酶。在前期研究中我们克隆了兴安落叶松的UGPase 和UGDH基因（分别命名为LgUGPase和LgUGDH）并利用遗传转化拟南芥的方法对其功能进行了调查。结果显示：LgUGPase和LgUGDH的过量表达不仅提高了转基因拟南芥的纤维素和半纤维素含量，而且显著促进了其营养生长。另外，LgUGDH基因的过量表达显著提高了转基因拟南芥的耐寒性，转基因植株在4℃条件下能够保持正常生长。该结果显示出这两个基因在牧草及林木遗传育种中的重要应用价值。本申请项目拟利用多种分子生物学技术，深入探究这两个基因增强转基因植物营养生长和抗寒性的分子机理，进而为揭示LgUGPase和LgUGDH基因的功能特性及利用它们进行作物及林木的遗传改良提供理论和实验依据。

尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）催化葡萄糖-1-磷酸（Glc-1-P）产生尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），UDPG是纤维素和胼胝质合成的前体物质；尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶（UGDH）催化UDPG脱氢生成UDP-葡萄糖醛酸酯（UDP–GlcA），UDP-GlcA是半纤维素和果胶的生物合成前体物质；可见UGPase和UGDH在植物的生长发育中起着关键的作用。前期研究结果证实，在拟南芥中过量表达兴安落叶松的LgUGPase和LgUGDH基因显著促进了转基因拟南芥的营养生长，因此研究该基因的表达调控机理具有重要意义。. LgUGPase和LgUGDH表达特性分析结果显示，pLgUGPase1/2::GUS在拟南芥幼苗中高效表达，成熟叶片中表达量下降，它们在花及果荚中均有表达，但在根中的表达模式不同，且它们的表达受到GA及MeJA的诱导。pLgUGDH1/2::GUS显示不同的表达模式，pLgUGDH1::GUS在各组织器官中均高效表达；pLgUGDH2::GUS主要在叶脉、根尖及子叶中表达；pLgUGDH1/2::GUS在花中均有表达，它们的表达受ABA及低温的诱导。LgUGPase和LgUGDH的编码产物均定位于叶绿体中。基因功能鉴定结果显示，LgUGPase基因的表达能够增加转基因拟南芥中糖、纤维素及木质素含量；说明LgUGPase可通过调控植物体内的多糖代谢促进转基因拟南芥的营养生长。LgUGDH可以弥补部分由于AtUGDH1突变缺失所导致的生长抑制，且其过量表达提高了转基因拟南芥半纤维素、木质素及可溶性糖的含量，进而促进了转基因拟南芥的营养生长。野生型、atugp1/atugdh突变体及超表达LgUGPase/LgUGDH基因拟南芥的转录组数据显示，LgUGPase/LgUGDH的过量表达，会导致植物激素信号转导途径发生变化，它们通过植物多糖代谢途径，间接参与植物生长发育的调空。利用转录组预测蛋白互作网络，研究了可能与LgUGPase/LgUGDH发生互作的蛋白。酵母双杂交实验发现，LgUGPase/LgUGDH与这些蛋白不直接发生相互作用，因此推测UGPase/UGDH的催化产物可能作为一种信号分子，通过调控糖代谢、碳代谢、苯丙烷代谢、植物激素信号转导和植物-病原体相互作用途径，进而参与植物生长发育和逆境适应的调控。