项目名称：木材形成的调控机制研究
首席科学家：卢孟柱中国林业科学研究院起止年限：2012.1-2016.8
依托部门：国家林业局
一、关键科学问题及研究内容
拟以杨树等主要用材树种为研究材料，采用次生维管组织再生及离体培养等实验系统，利用遗传学、分子生物学、生物化学、基因组学、生物信息学等研究手段，研究纤维素、半纤维素和木质素的合成机理；解析细胞壁主要成分协同排列、沉积及遗传因子对该过程的调控机制；阐明激素、多肽、信号转导分子等对木质部细胞分化的调控，以及材性相关基因位点的基因组定位及遗传效应分析。

为速生树种材性改良的分子品种设计提供理论和技术支持。

1．纤维素、半纤维素和木质素的合成与调控
以杨树等材料为研究对象，解析纤维素合酶复合体结构与作用机制；研究MYB、NAC等转录因子在调控CESA基因及纤维素合成中的影响以及相关蛋白KOR、BC1和BC15与纤维素合酶复合体的互作及功能，阐明它们参与纤维素合成的分子机制；研究CSLD5、CSLD6、BC11、BC14等同源基因在木聚糖合成中的功能，解析半纤维素（木聚糖）合成机理及这些基因与纤维素合成关键基因互作、应答的机制；次生壁木质素合成关键基因（4CL基因和CAld5H基因）的调控机理，鉴定直接调控木质素合成的MYB类转录因子的功能。

2．细胞壁形成与木材材性的调控
利用应拉木形成体系研究细胞壁形成过程中起调控作用的miRNA，并从基因组水平鉴定杨树miRNA的靶基因，及其对木材细胞壁形成的影响机制；基于已有的转录组学数据，对杨树中参与细胞壁形成的关键基因进行深入的转录调控分析，筛选与次生壁加厚相关的转录因子，研究其作用模式和调控机制；开展细胞骨架调控纤维素沉积的分子机理，包括微管、目标蛋白和细胞壁三者间的调控关系和作用方式，揭示微纤丝角度和纤维聚合度与纤维素的沉积与组装的关系。

3.形成层干细胞维持、分化以及木质部发育的调控机制
利用次生维管再生等系统，研究激素、短肽、信号转导因子和转录因子等对形成层细胞发生、分化以及次生木质部不同细胞类型发育的的影响，揭示控制不同管状分子、纤维分子类型的调控因子，阐明其作用机制；利用转基因技术获得不同调控因子表达水平的杨树材料，分析形成层模式变化并结合芯片技术分析全基因表达谱的变化，揭示细胞分化相关调控网络；分析导管分化模式与细胞程序化死亡关系，特别是分析不同类型细胞PCD上游起始因子的特性。

4.木材和材性形成的比较基因组学
利用生物信息学、系统发育和比较基因组学等手段，比较不同材性林木（10个）和草本（35个）物种中纤维素、细胞壁沉积和木质部细胞分化等相关基因（基因家族）的保守与变化式样；重点阐述木材及材性基因的共性和特性；筛选木材和材性形成与调控中尚未被仔细研究过的关键基因，通过杨树等模式植物进行转基因功能验证。

5.木材品质性状QTL定位、解析与克隆
利用杨树、桉树等种质资源材料及杂交群体，进行木材品质性状QTL分析，通过目标基因组局部区域图谱加密和增加作图个体数量，提高QTL定位精度；分析QTL与环境的互作以及QTLs之间的上位性效应，分析材性相关eQTL的基因组分布特征及效应；主效QTL 区间序列测序，发现作图亲本在相应区域的杂合基因位点；利用生物信息与图位克隆相结合的方法，克隆主效基因；对克隆的主效基因开展表达调控研究，并探讨相应基因在木材形成中的作用。

6.木材品质性状的联合遗传学研究
以重要用材树种的自然群体为试材，采用全基因组和候选基因的联合遗传学策略，系统地鉴定重要木材纤维性状形成关键基因的功能、等位基因序列变异和等位基因效应，开发功能SNP标记；研究
基因内与基因间SNP位点及其组成的单倍型对木材性状的遗传效应，及遗传互作方式；发掘一批在林木自然群体中具有育种价值的功能SNP位点，初步建立林木木材品质优异新种质的早期筛选与鉴定技术体系。

二、预期目标
1.总体目标
本项目针对严重制约我国人工林木材品质改良的问题，围绕木材形成的遗传调控这一重大科学问题，以杨树等我国主要用材树种为研究材料，应用基因组学、分子遗传学、生物信息学等理论和技术，研究纤维素、半纤维素和木质素的合成机理, 解析细胞壁主要成分合成、排列、沉积的调控机制；揭示激素、信号转导分子等对木质部细胞分化的调控机制；分析控制木材品质性状的遗传位点及遗传效应，构建调控木材材性改良的模型，为品质改良的分子设计提供依据；发掘品质改良重要的调控因子，包括染色体区段/基因簇/基因/等位基因、miRNA等；提出针对不同材质分子设计策略、方法，为新品种培育提供理论和物质基础。

通过项目的实施，将进一步提升林木木材形成的调控理论，提高我国林木育种在理论和技术上的原始创新能力；建立林木材性改良的分子技术体系，为优质、高产林木育种提供支撑；保持我国在人工林特别是速生林木品种培育的国际先进地位，最终为我国木材安全提供理论和技术保障。

2.五年预期目标
（1）阐明细胞壁主要化学成分的合成、纤维沉积方式的调控机理，鉴定出主要的调控因子。

（2）揭示形成层干细胞维持、分化以及木质部不同类型细胞发育的遗传调控机制，鉴定出重要调控因子。

（3）解析木材品质性状形成相关基因片段/基因簇/基因，开发基于功能基因的分子标记，初步建立一套林木木材品质优异的新种质早期筛选与鉴定技术体系。

（4）鉴定遗传因子80-100个、遗传标记120-150个，获得调控木材形成的遗传因子（基因片段/基因簇/基因及miRNA等）20-30个；分子标记10-15个；获得木材品质显著改良的新种质20-30份。

（5）培养硕士、博士研究生80-100名，培养青年学术骨干8-10人。

（6）发表SCI论文70-80篇（累计影响因子200以上）；申请专利15-20项。

三、研究方案
1. 学术思路
木材形成是一个复杂的多基因调控网络，涉及木质纤维的合成及在细胞壁上的沉积，木质部不同细胞类型的分化以及个体多年径向生长等过程的调控。

因此，以模式草本植物为研究材料取得的成果需要在木本植物上加以验证，而且要针对林木本身，进行木材形成的调控机制研究，才能获得系统性强、具有应用前景的研究成果。

木材材性的调控包括了从亚细胞（细胞壁）、细胞、组织到个体的各个层次，需要围绕核心科学问题即木纤维的合成、细胞壁沉积方式、木质部不同类型细胞的分化和材性的遗传调控，运用分子遗传学、生物化学、基因组学、生物信息学等理论和方法，分离和克隆细胞壁和木纤维形成的关键基因并分析其功能；利用细胞学以及转录组等手段研究木质部细胞分化的遗传调控；利用比较基因组学研究不同材性物种的共性与特性，筛选材性控制的关键基因和关键位点；利用转基因、QTL 以及群体遗传学等手段，揭示关键基因变异对材性的影响，为我国速生优质林木培育提供原创性的理论和技术。

2. 技术途径
本项目将根据总体目标和目前该学科的发展趋势，充分利用已有的杨树、桉树等基因组信息、已构建的多种林木遗传图谱和功能基因组研究资源平台，从分子、细胞、组织、个体、群体等层面上系统解析木材形成的遗传调控机制。

在分子水平上，针对木材主要结构组分（纤维素、半纤维素及木质素等），采用正向与反向遗传学等策略阐明其生物合成的分子基础。

在细胞水平上，针对木材细胞壁沉积与加厚过程，利用转录组数据、分子生物学与生物化学的手段揭示细胞壁形成的调控网络，阐明细胞骨架调控纤维素沉积的基础。

在组织水平上，利用细胞生物学、功能基因组学等手段研究木质部细胞分化的遗
传调控机理。

在群体水平上，组合利用基于自然群体的联合遗传学及基于家系的QTL作图技术检测控制木材品质性状QTL的效应，分析重要基因的功能，解析基因内具有育种应用价值的功能SNP标记位点。

在物种水平上，利用比较基因组、生物信息学与系统生物学等手段，研究物种间木材与材性形成基因的共性与特性。

最终阐明木材形成和木材品质性状遗传控制的机制，为木材材性定向分子设计与改良奠定理论和技术基础。

主要研究路线如下图：
四、年度计划。