首页分享毛白杨木纤维次生壁调控转录因子PtoKANT3a及其应用和方法与流程

毛白杨木纤维次生壁调控转录因子PtoKANT3a及其应用和方法与流程

来源：花匠小妙招时间：2025-02-15 10:37

本发明涉及植物基因工程，具体涉及毛白杨木纤维次生壁调控转录因子ptokant3a，还涉及ptokant3a在调控毛白杨木材发育上的应用，还涉及构建提高木材生物量和改良木材材性的转基因毛白杨株系的方法。

背景技术：

1、木材是自然界中最重要的可再生生物资源之一，广泛用于制浆造纸、建筑业、生物能源等许多领域。近年来，木材生物质已被开发为生产液体生物燃料的一种绿色的、可再生的能源(sarkanen,1976；behr et al.,2019)。我国森林覆盖率低，木材供求矛盾突出。因此，改良木材性状，优化木材品质在速生优质林木育种中具有重要意义。杨树(populus.spp)是世界上种植最广泛的速生树种之一，也是我国人工造林和用材经济林的主要树种之一，是我国木材的重要供应来源，培育其木材速生的品种具有重要的应用价值。同时，随着全基因组测序的完成以及遗传转化再生体系的建立，杨树已成为研究林木生长发育的模式植物之一。因此，以杨树为对象的木材形成调控研究，是突破当前林业经济和育种瓶颈的关键。

2、木材的主要干物质成分是细胞壁，占植物干重的90％以上。细胞壁分为初生细胞壁和次生细胞壁(secondary cell wall，scw)，其中次生壁又构成了木材物质的主体。次生壁的主要成分按比例从高到底依次为纤维素(cellulose)、半纤维素(hemicellulose)和木质素(lignin)三种生物大分子，他们会进一步聚合形成次生壁的高度复杂结构。上诉各组分物质在次生壁中的比例，决定了木材产量、材性、和可加工性(kumar et al.,2016；lehrhofer et al.,2022)。因此，次生壁是木材的重要组分和工业生产和生物能源的重要原料。同时，木质细胞次生壁的沉积也为植物提供了机械支撑以及水分运输能力，并在抵抗生物和非生物胁迫中也起着重要的作用。可见，通过对次级细胞壁的结构和生物合成的调控，对改造木材和纤维的组成以满足日益增加的林产工业及社会需求具有重要的应用价值。

3、在木材发育过程中，木质部细胞的次生壁形成，是一个由木质素、纤维素和半纤维素的合成以及转运途径的协同完成的过程，包括了各种前体的胞内合成、跨膜转运及胞外聚合，最终装配形成完整的次生壁结构。次生壁各种组分的单体在细胞内的合成，赖于细胞内各种组分单体的酶促合成过程，被认为是控制次生壁形成的关键。研究表明，细胞内关键酶的活性水平对于次生壁的合成是决定性的。而这些酶又在转录水平上受到调控。

4、经过几十年的发展，在杨树中，次生壁形成的转录调控已经有了较为广泛的研究，并形成了由多个层级的转录因子(tfs)级联构成的调控网络。其中，nac(nam、ataf、cuc)蛋白作为其顶层调控因子(takata et al.,2019)。这些nacs通过激活第二层主开关——主要是myb蛋白家族的表达，进而促进次生壁各组分合成酶基因的表达，从而控制了次生壁的形成(zhong and ye,2015)。然而，这种基于nac-myb的系统在促进负责合成scw组分(如木质素、纤维素和半纤维素)的下游基因的表达中起到了关键作用(chen et al.,2019)。然而，虽然以这些转录因子为对象的转基因杨树种质可以显著提供木材的次生壁厚度，但由于其同时影响了导管的次生壁厚度，严重影响了杨树的正常水分运输和生理活动，因此并未显著提高木材的生物量。这也提示，特异性调控木材纤维细胞次生壁的转录因子，是木材生物量育种的潜在关键靶点。因此在杨树中如何通过提高次生壁合成来增加木材总生物量和产量，是亟待解决的关键问题。

5、knox家族转录因子已经在拟南芥和水稻等植物种被报道参与了对次生壁合成的调控。而在杨树中，该家族成员在次生壁调控和木材发育中的作用还不清楚，家族成员中是否有特异调控木纤维细胞次生壁形成的，及其对杨树木材产量、材性和机械特性的影响还有待发掘。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种毛白杨木纤维次生壁调控转录因子ptokant3a；本发明的目的之二在于提供编码所述毛白杨木纤维次生壁调控转录因子ptokant3a的基因；本发明的目的之三在于提供含有所述ptokant3a基因的植物表达载体；本发明的目的之四在于提供ptokant3a基因或所述植物表达载体在调控毛白杨木材发育上的应用；本发明的目的之五在于提供一种构建提高木材生物量和改良木材材性的转基因毛白杨株系的方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1、毛白杨木纤维次生壁调控转录因子ptokant3a，所述转录因子ptokant3a的氨基酸序列如seq id no.1所示。

4、2、编码所述毛白杨木纤维次生壁调控转录因子ptokant3a的基因，其核苷酸序列如seq id no.2所示。

5、3、含有所述ptokant3a基因的植物表达载体。

6、4、ptokant3a基因或所述植物表达载体在调控毛白杨木材发育上的应用。

7、本发明优选的，通过在毛白杨中超量表达ptokant3a基因，从而获得增加木材生物量和改良木材材性的转基因毛白杨种质。

8、本发明优选的，所述木材生物量为总木质素，纤维素和半纤维素。

9、本发明优选的，所述木材材性为抗张强度或/和抗压强度。

10、5、一种构建提高木材生物量和改良木材材性的转基因毛白杨株系的方法，包括如下步骤：

11、(1)将编码ptokant3a的基因克隆后，连接至植物表达载体，获得35s::ptokant3a和lmx5::ptokant3a载体；

12、(2)转化农杆菌，采用农杆菌介导的叶盘法将步骤(1)构建的35s::ptokant3a和lmx5::ptokant3a载体导入野生型毛白杨叶片中；

13、(3)通过共培养、选择培养、获得丛生芽、获得生根转基因植株以及阳性植株鉴定过程，最终得到异源超表达ptokant3a的毛白杨株系。

14、本发明优选的，所述35s::ptokant3a载体为将权利要求2所述ptokant3a基因通过xcmi酶切位点连接至pcxsn载体获得的ptokant3a超表达载体。

15、本发明优选的，所述lmx5::ptokant3a载体为将lmx5启动子连入pcambia1300载体的eocr i和kpn i利酶切位点处，然后将权利要求2所述ptokant3a基因通过bam hi和xba i酶切位点连接至pcambia1300载体获得的ptokant3a超表达载体。

16、本发明的有益效果在于：

17、将ptokant3a基因及载体转化毛白杨植株后，能有效提高毛白杨的木质部细胞的次生壁厚度和木质素、纤维素和半纤维素各成分含量，从而提高木材生物量；同时还显著提升了木材抗张和抗压强度等木材材性指标。这为林木优良品种选育提供了方法和种质基础，有利于提高经济林的木材产量和经济效益，也为营造防护林林及城乡绿化等提供了材料。