杨树PdC3H17和PdC3H18调控次生木质部形成的分子机理研究

Wood is mainly made of secondary cell walls, whose formation is controlled by a multilevel regulation network. Plant CCCH zinc finger proteins comprise a large family, play diverse roles in developmental and adaptive processes at both the transcriptional and posttranscriptional levels. However, few plant CCCH proteins have been functionally studied in the regulation of secondary wall formation until now. Recently, we have characterized two poplar CCCH zinc finger proteins PdC3H17 and PdC3H18 and found that they are the targets of PdMYB3 and PdMYB21, and positively regulate secondary cell wall formation through regulating the expression of cellulose, xylan and lignin biosynthetic genes in poplar, suggesting that they are two additional components in the regulatory network of secondary xylem formation in poplar. Based on the above results, this project aims to further identify the downstream targets and interacting proteins of these two proteins using the microarray, ChIP/RIP-Seq and Y2H methods, and finally clarify their regulatory mechanism during secondary xylem formation. This project will provide new insight into the components of the complex regulatory network of xylem development and therefore mark another important step toward the dissection of the molecular network that regulates secondary wall formation in plants, which may facilitate genetic engineering of wood quality and quantity.

木材主要由次生细胞壁组成，它的形成是一个严格受基因编码的多层网络调控的复杂动态生物学过程。CCCH型锌指蛋白是一类特殊的锌指蛋白，它在转录水平和转录后水平上参与植物生长发育的调控和逆境胁迫的响应。然而，迄今很少报道CCCH锌指蛋白参与次生木质部的形成机制。我们前期研究表明，杨树PdC3H17和PdC3H18是两个典型的CCCH锌指蛋白；它们是通过调控细胞壁合成基因的大量表达来参与次生木质部的形成；均能被PdMYB3和PdMYB21直接调控；提出它们可能是次生木质部形成的调控途径之一。基于以上研究，本项目一方面利用酵母双杂交等技术鉴定PdC3H17/18在次生木质部形成过程中的互作蛋白，揭示它们在蛋白质水平上的协同调控作用；另一方面运用基因芯片和ChIP/RIP-Seq等技术挖掘它们所调控的下游靶标，解析它们在次生木质部形成过程中的分子调控通路，为未来利用基因工程改良木材奠定基础。

木材主要由次生木质部组成，它的形成是一个由多层网络调控的复杂动态生物学过程。CCCH型锌指蛋白是一类特殊的锌指蛋白，能够在转录和转录后水平参与调控植物生长发育和响应逆境胁迫。然而，迄今很少报道CCCH锌指蛋白参与次生木质部形成。我们前期研究发现杨树PdC3H17具有转录激活活性，能够特异结合DNA和RNA，主要在木材形成组织中表达，是木材形成第二层调控枢纽PdMYB3/20的靶基因，正调控次生木质部增宽和次生细胞壁增厚。在此基础上，本项目进一步明确了PdC3H17通过调控形成层分裂进而控制木材形成。糖组分分析表明过表达和显性抑制PdC3H17基因显著影响木材三种主要组分（纤维素、半纤维素和木质素）的含量。我们运用转录组结合ChIP-qPCR等技术鉴定了PdC3H17下游多个木材相关靶基因，其中一个靶基因PdMYB199负调控木材形成；运用酵母双杂交等技术鉴定了一批木材相关互作蛋白，其中一个互作蛋白PdBAG12可能涉及到形成层起始。这样，PdC3H17可能通过影响这些基因协同控制木材形成，构成一个复杂调控网络。在完成既定任务之外，本项目对原有研究内容进行适度延伸，根据PdC3H17结构特征在杨树中过表达该基因的不同区段，创制了多样化的高产、耐旱/盐转基因杨树材料。PdC3H17ΔC过表达植株比野生型略高、生物量增加、抗旱性增强；PdC3H17ΔN过表达植株高度和野生型相当、生物量没有显著变化，但抗盐性增强。这些转基因植株具有潜在应用价值，部分株系已进入中间试验。课题负责人在该项目成果的基础上获批主持国家重大转基因专项课题（2018ZX08020-002-005）。本项目资助发表相关SCI论文2篇（包括1篇New Phytol）、中文核心1篇、授权专利2个，超额完成了预期目标。同时，培养了2名青年科研骨干（1人由助研晋升为副研，1人博后出站留所工作）和2名研究生（1名博士研究生和1名硕士研究生）。