杨树油菜素内酯合成基因PtCYP85A5在杨树生长发育和耐逆境胁迫中的功能研究及其应用

Brassinosteroids (BRs) play essential roles in plant development, including germination, photomorphogenesis, vascular tissue differentiation,development of reproductive organs, and protecting plants from various biotic and abiotic stresses. Castasterone (CS), considered to be a direct biosynthetic precursor of the most biologically active brassinosteroid (BL), displays the same physiological responses as that induced by BL. Formation of castasterone in tomato is catalyzed by Dwarf. In poplar, PtCYP85A5 is the closest homology to the Dwarf. In this work, we will perform the functional analyses of PtCYP85A5 in poplar development and abiotic stress tolerance. We firstly determine the biological function of PtCYP85A5 by over-expressing PtCYP85A5 in the lost-of-function mutants of brassinosteroid biosynthesis and wild types of Arabidopsis and tomato. Then, over-expression vector and antisense vector of PtCYP85A5 will be transformed into poplar to examine its biological functions in poplar development,especially in wood formation, by studying the changes in phenotype, wood structure, cell wall components and expression of transcripts of the transgenic plants. In addition, transgenic poplar over-expressing or down-expressing PtCYP85A5 will be treated with different abiotic stresses. Then the phenotype, physiological changes and stress-related genes will be analyzed to determine the function of BRs in poplar abiotic stresses tolerance. We believe that new transgenic poplar lines with significantly improved plant biomass or tolerance to abiotic srtesses would be acquired. This work will also provide theoretical information for genetic improvement of woody plants by controlling the content of endogenous BRs using transgenic technology.

油菜素甾醇类化合物（BRs）是一类新型激素，在植物的种子萌发、光合作用、维管分化、育性以及逆境反应等方面起重要作用。油菜素甾酮（CS）是合成油菜素内酯（BL）的重要前体，具有和BL相似的生理功能。Dwarf是番茄中合成CS的基因，杨树中PtCYP85A5的氨基酸序列同Dwarf的相似性最高。首先我们用PtCYP85A5的过表达载体互补拟南芥和番茄的CYP85A突变体，同时转化它们的野生型来确定该基因的生物学功能。然后将PtCYP85A5的正义、反义载体导入山新杨中，研究转基因杨树的表型、木质部结构、细胞壁组分以及转录本的变化来揭示该基因在杨树生长发育中的功能和作用机理。此外，对转基因杨树进行逆境处理，分析转基因杨树的表型、相关生理指标和转录本变化来揭示BRs在杨树抗逆中的作用及机理。以此获得生物量及耐逆性显著提高的转基因新材料，为通过改变内源BRs的合成对木本植物进行遗传改良提供理论基础

油菜素甾醇类化合物（BRs）是一类新型激素， 在植物的种子萌发、光合作用、维管分化、育性以及逆境反应等方面起重要作用。油菜素甾酮（CS）是合成油菜素内酯（BL）的重要前体，具有和 BL 相似的生理功能。Dwarf 是番茄中合成CS的基因，杨树中PtCYP85A3的氨基酸序列同Dwarf的相似性最高。 研究结果表明PtCYP85A3主要在杨树的幼嫩组织中表达，定位在内质网中并且可以互补LeCYP85A1 突变体LA2838的表型，说明该基因具有BRs合成的生物学功能。然后我们将该基因的35S启动子驱动的过表达载体分别导入小番茄 Micro-Tom 和杨树栽培品种山新杨中。结果表明过表达PtCYP85A3可以明显提高转基因植物的生长速度和生物量：转基因番茄的株高、地上鲜重和果实产量与对照相比分别增加了50%、56%和43%；转基因杨树中的CS含量明显提高，并且转基因杨树的株高、茎鲜重和叶片大小都明显增加，更重要的是这些转基因杨树在多年大田生长中也有稳定的明显的速生表型。有趣的是，过表达PtCYP85A3可以明显促进转基因杨树的木质发育：转基因杨树茎都明显增粗，主要是由于木质发育增强、木质部面积增加引起的；同时木质部中的细胞壁物质也明显增多，但是不影响次生细胞壁的增厚，表现为次生壁厚度及其中的纤维素和木质素的组分没有明显的变化，表明PtCYP85A3主要在木质部的分化中起重要作用。总之，PtCYP85A3 是一个具有生物学功能的杨树BRs合成的关键基因，其主要催化合成CS；过表达该基因可以明显提高转基因植物的生长速度和生物量。本研究不仅有助于理解BRs在杨树木质发育的生物学功能，并为通过植物激素的基因工程来改良林木木材产量及生长速度提供理论基础，同时也为我们进一步揭示BRs 调控杨树木质部发育及应拉木形成的分子机理奠定研究基础。