NAC转录因子参与调控竹笋木质化

NAC是植物特有的转录因子家族之一,参与衰老、信号转导以及次生细胞壁合成等多种生物过程,然而关于竹子中NAC转录因子的功能尚不清楚,尤其是与次生细胞壁(SCW)合成相关的NAC更未见报道。本研究在毛竹(Phyllostachys edulis)基因组中鉴定了94个NAC同源基因(PeNACl^PeNAC94)。系统进化树分析表明,毛竹与拟南芥的NAC蛋白共聚类为16个分支,PeNACs分布于11个分支中,其中2个分支中的15个PeNACs与次生细胞壁合成相关。用这15个基因共表达分析,预测出与PeNACs共表达的基因396个,其中包括参与木质素分解代谢和纤维素生物合成的基因分别有16个和55个。qRT-PCR分析表明,随着竹笋高度增加木质化程度加深,15个PeNACs基因的表达均上调,并呈现持续上升及先上升后下降2种趋势,表明这些PeNACs可能参与毛竹笋次生细胞壁合成以及木质化的过程。同时发现,15个PeNACs中有7个PeNACs与7个PeMYBs呈现正向共表达关系,且在毛竹不同高度笋中这些PeMYBs具有与PeNACs相似的表达趋势。另外,在16个PeNACs中发现了miR164的靶点,其中与次生细胞壁合成相关的3个PeNACs在毛竹笋中具有与miR164相反的表达趋势,证明miR164与PeNACs存在调控关系。由此表明,竹笋木质化调控将是一个由miRNA、NAC等转录因子和结构基因构成的复杂调控网络。本研究全面展示了毛竹NAC基因家族的信息及其与竹笋木质化的关系,对于进一步研究PeNACs的功能、揭示竹材材性形成的分子调控机制具有重要意义。

毛竹笋在快速生长期的木质化调控网络

木本竹因其优质材性而成为传统木材良好的替代品。木质化程度和木质素含量影响着木材材性,然而单子叶植物的木质化调控网络尚不清楚。为了阐明毛竹(Phyllostachys edulis)木质化的分子调控机制,利用转录组、miRNA和降解组测序,并结合实验对竹笋进行综合分析研究。结果表明:木质化程度和木质素含量随笋高度的增加而增加,而苯丙氨酸解氨酶(PAL)和漆酶(LAC)活性则随笋高度的增加表现为先升高后降低。在不同高度笋的代表性节间(第13节)的不同部位中共鉴定了11504个差异表达基因(DEG),其中与细胞壁和木质素生物合成相关的大部分DEG表达随笋高度上调,而与细胞生长相关的一些DEG表达则下调。通过miRNA测序鉴定出1502个miRNA,包括已知的1223个和新鉴定的279个。通过生物信息学预测和降解组分析,共鉴定出691个差异表达的miRNA,共靶向5756个差异表达基因。据此构建了毛竹笋木质化调控网络,包括11个miRNA、22个转录因子和36个酶基因。另外,根据过表达PeLAC20转基因拟南芥中木质素含量显著增加,提出了一个miRNA介导的‘MYB-PeLAC20’的木质素单体聚合调控模型。研究结果不仅对解析竹子木质素生物合成的调控分子机制具有重要科学价值,而且对理解其他单子叶植物的相关机制具有重要参考价值,有助于制定竹材材性改良策略。