乔木柳和灌木柳分化的基因组学基础及其分子调控机理研究

Woody plant growth can be divided into two stages: primary growth and secondary growth. Plant type and wood yield are determined by these two stages of growth. Speeding up the growth rate of wood and improving the performance and quality of wood has become an important subject of forest research. Previous studies on plant growth have focused on herbs such as arabidopsis, rice, wheat and so on. Although these studies have given people a certain understanding of the process of plant growth and its regulatory mechanism, compared with woody plants, herbs lack some genes of wood formation and related biological processes, so they cannot show the characteristics of growth and development of perennial woody plants in an all-round way. Two sister species of woody plants, Salix wilsonii and Salix suchowensis, have differences in primary and secondary growth. Recently, theirs genomes have been sequenced. To gain further insight into divergence between tree and shrub in Salix, we conducted comparative genomes and comparative transcription between Salix wilsonii and Salix suchowensis. Moreover, functional validation of the candidate genes was performed to elucidate the molecular regulation mechanism. The results of the project contribute valuable information to improve our understanding of growth rhythm and genome dynamics of tree and shrub. It lays a foundation for accelerating the improvement of woody plant growth-related genes and improving wood yield.

木本植物生长分为初生生长和次生生长两个阶段。这两个阶段的生长决定了植物的株型和木材产量。加快木材的生长速率，提高改善木材的性能质量，已成为林木研究的重要课题。以前对植物生长方面的研究主要集中在拟南芥、水稻、小麦等草本植物，虽然通过这些研究使人们对植物生长过程及其调控机制有了一定的认识，但与木本植物相比，草本植物缺少某些木材形成的基因和相关的生物学过程，不能全面展示多年生木本植物生长发育特点。因此，本课题选择两个在初生生长及次生生长方面存在差异的木本植物姊妹种—疏花柳和簸箕柳为研究对象，利用已完成的全基因组测序及染色体组装信息，通过比较基因组及比较转录组找到导致疏花柳和簸箕柳分化的基因组学基础及其转录调控机制，并对候选基因进行功能验证，进一步揭示乔、灌木分化分子调控机理。项目结果对阐明乔、灌木生长规律，揭示乔、灌木分化机制具有重要意义，为加快木本植物生长相关基因的改良，提高木材产量奠定基础。

木本植物依形态不同，分为乔木、灌木和半灌木三类。不同形态的植物观赏价值及经济价值不同，但导致木本植物形态发生变化的分子机制尚不清楚。柳属植物隶属于杨柳科，有乔木、小乔木、灌木、垫状灌木4种类型，而且灌木和垫状灌木类型的簸箕柳和小垫柳已经完成了全基因组测序。因此，该属植物是研究乔、灌木分化的理想材料。本项目以柳属植物中疏花柳（乔木）、三蕊柳（小乔木）、簸箕柳（灌木）、小垫柳（垫状灌木）为研究材料，利用PacBio RS II三代测序技术、光学图谱技术及Hi-C技术完成了疏花柳和三蕊柳染色体水平基因组组装及注释，基因组大小分别为394.51 Mb和357.07 Mb，基因数量分别为34,809和38,667。通过比较基因组分析，确定了疏花柳、三蕊柳、簸箕柳、小垫柳4个物种染色体的对应关系，未发现染色体结构变异；起源与进化分析揭示了柳属植物的进化是以乔木、小乔木、灌木、垫状灌木的顺序先后出现的；对4种柳属植物基因组中扩张和快速进化基因家族、杨柳科全基因组复制基因、串联复制基因进行分析，发现全基因组复制基因选择性保留了生长素、器官发生和形态建成相关通路基因，串联复制基因选择性保留了次级代谢、抵抗胁迫等相关通路基因；查找生长素、器官发生和形态建成相关通路基因，确定了导致柳属植物发生乔、灌木分化的候选基因8个；利用酶解法（纤维素酶R10和离析酶R10）游离簸箕柳叶肉原生质体，产量达1.57×107/g FW，通过聚乙二醇（PEG）法介导外源基因在原生质体内进行瞬时表达，转化效率为74.3%。本项目构建了簸箕柳叶肉原生质体分离纯化及瞬时表达体系，为高通量开展柳属植物关键基因的功能研究与利用提供有力工具。另外，本项目揭示了柳属植物的进化顺序，探究了乔、灌木分化的分子机制，为木本植物形态性状的改良奠定了基础。