重大分子调控机制的突破为解析林木木材形成提供最前沿的研究范例

我校林学院/林木遗传育种国家重点实验室姜立泉教授带领的林木细胞壁基因组学研究团队教师李伟、林盈仲和王鹏宇近期在木材形成研究方面取得了重要进展，相关的研究成果分别发表于Proceedings of the National Academy of Sciences（IF 9.674）、Nature Protocols（IF 9.673，发表2篇）、Plant Cell （IF 9.338，发表2篇）杂志，系列报道了该团队在林木木材形成方面分子及生化调控机制上的重大发现。这些研究将遗传调控因子、基因、蛋白、植物化学复合物及工程建模的知识结合起来，为解析林木木材结构的生长和发育过程，提供了新的视角。此外，以上研究整合植物系统生物学、整合生物学、化学及工程学等领域，为其它复杂生物学特性的研究营建了一套新的标准。以上研究成果标志着我校在林木分子生物学领域的研究达到了国际领先水平。

近一年来，林木细胞壁基因组学研究团队在姜立泉教授的带领下成绩斐然，以我校为第一完成单位在Proceedings of the National Academy of Sciences、Nature Protocols、Plant Cell、Molecular Plant（IF 6.337）、Plant Biotechnology Journal（IF 5.752）等国际知名杂志共发表论文8篇，部分成果介绍如下：

    1、首次发现木材形成中关键酶的功能受磷酸化开关控制

Jack P. Wang, Ling Chuang, Philip L. Loziuk, Hao Chen, Ying-Chung Lin, Rui Shi, Guan-Zheng Qu, David C. Muddiman, Ronald R. Sederoff and Vincent L. Chiang (2015). Phosphorylation is an on/off switch for 5-hydroxyconiferaldehyde O-methyltransferase activity in poplar monolignol biosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 2015 June 24 online, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1510473112.

植物利用蛋白磷酸化作用途径快速应答干旱及病虫害的外界刺激，姜立泉研究团队向人们展示了在木材形成过程中，植物利用同样的途径，作用在一种关键酶上，用来开启或关闭木质素的生物合成。这种酶的磷酸化过程控制着木质素通路35个化学反应中的6个反应，通过磷酸化将这6个反应全部关闭，从而导致杨树的木质素含量及其组成显著改变。研究发现，约97％的植物物种，包括松树和草本植物，都配备了这个关键的木质素酶磷酸化位点。因此，控制木质化作用的磷酸化介导过程，在植物木材形成中可能是一个非常古老的机制。这项研究增加了我们对木质素在植物中如何形成，以及木质素如何能够改善生物燃料、纸浆生产和造纸等现状的了解（製浆造纸过程需要利用强化学反应完成脱木质素反应，而这一过程耗资昂贵）。这一发现也使我们能够更好地解析木材的形成过程，进一步了解如何修饰树木生长，以建立木材的重要经济用途。

    2、首次建立高效的木质部原生质体转化系统及林木ChIP技术

Wei Li, Ying-Chung Lin, Quanzi Li, Rui Shi, Chien-Yuan Lin, Hao Chen, Ling Chuang, Guan-Zheng Qu, Ronald Sederoff, and Vincent L. Chiang. (2014). A robust chromatin immunoprecipitation protocol for studying transcription factor-DNA interactions and histone modifications in wood-forming tissue. Nature Protocols. 9:2180-2193.

Ying-Chung Lin, Wei Li, Hao Chen, Quanzi Li, Ying-Hsuan Sun, Rui Shi, Chien-Yuan Lin, Jack Wang, Hsi-Chuan Chen, Ling Chuang, Guan-Zheng Qu, Ronald Sederoff, and Vincent L. Chiang. (2014). A simple improved-throughput xylem protoplast system for studying wood formation. Nature Protocols. 9:2194-2205.

木材是陆地生物圈中固碳量最丰富的组分之一。全球的木材相关产业总值达3000亿美元。此外，木材也是生物质能源和不断增值的化工产业的重要可再生原料。木材形成是一个组织特异性发育及分化的复杂过程，是由特异干细胞分化而来的。因此，木材形成的过程类似于许多类型的细胞分化的过程，而这些分化过程则是基于决定干细胞进程的遗传学和表观遗传学的调控，并且通过由转录因子 (TF)-DNA相互作用形成的多层次的遗传调控网络进行控制。由于缺乏有效和定量的基因组技术来揭示这种相互作用，所以在木材形成相关的TF-DNA作用方面知之甚少。而对于这种相互作用的了解非常必要，因为它可以使我们能更好地了解并改进木材的形成过程，以满足人们对材料和能源不断升级的需求。染色质免疫沉淀（ChIP）技术能够对基因组水平的TF-DNA相互作用进行体内鉴定。针对于木本植物，ChIP技术此前尚未建立，尤其是针对于木材形成细胞的ChIP技术。这是由于此类细胞的核及染色质分离十分困难。该团队首次通过发明针对于毛果杨木材发育细胞的ChIP技术，着手鉴定以木材形成为基础的TF-DNA调控层次，随后该团队进一步研究开发毛果杨茎部位的分化木质部的原生质体系统。这是一项具有一定挑战的工作，因为木材形成细胞的原生质体的分离同样非常困难。将TF转染原生质体，利用RNA测序技术推断出被鉴定为差异表达基因的与TF互作的基因。分化木质部的ChIP测序分析及转基因的毛果杨，证实了TF-DNA的互作及其产生的多层次调控。目前，精准的遗传学和细胞培养技术的结合，成为一个常规的、强有力的量化工具，用以阐明木材形成的转录调控层次，以便更快有新的发现。这些新发现将改善木材的性能及其生长，提高木材形成对气候变化的适应能力，并在材料和生物能源方面产生新的原料。

    3、木质素研究的重大突破——充当植物细胞壁代谢的GPS

Hsi-Chuan Chen, Jina Song, Jack P. Wang, Ying-Chung Lin, Joel Ducoste, Christopher M. Shuford, Jie Liu, Quanzi Li, Rui Shi, Angelito Nepomuceno, Fikret Isik, David C. Muddiman, Cranos Williams, Ronald R. Sederoff, and Vincent L. Chiang. (2014). Systems biology of lignin biosynthesis in Populus trichocarpa: Heteromeric 4-coumaric acid: CoA ligase (4CL) protein complex formation, regulation and numerical modeling. Plant Cell. 26: 876-893.

Jack P. Wang, Punith P. Naik, Hsi-Chuan Chen, Rui Shi, Chien-Yuan Lin, Jie Liu, Christopher M. Shuford, Quanzi Li, Cranos M. Williams, David C. Muddiman, Joel J. Ducoste, Ronald R. Sederoff, and Vincent L. Chiang. (2014). Complete proteomic based enzyme reaction and inhibition kinetics reveal how monolignol biosynthetic enzyme families affect metabolic-flux and lignin. Plant Cell. 26: 894-914.

该团队为未来的植物科学家了解植物如何适应环境、提高植物的生产力和生物燃料的潜力提供了GPS向导。2014年，该团队在The Plant Cell杂志上发表了两篇开创性论文，为研究植物木材性状、利用综合定量手段研究树木的木质素形成（如杨树）提供了循序渐进的方法。维管植物，包括所有的树种，若没有进化其木质素合成的能力，如今将不能再称霸于陆地生态系统。木质素，这一地球上丰富度居第二位的生物材料（仅次于纤维素），能够帮助维管植物挺立，并在水分和养分运输系统中承担支架的作用。木质素是最难降解的生物聚合物之一，这使其成为阻挡害虫及病原体的优良屏障。然而遗憾的是，木质素同样也在从植物纤维素中提取糖分的过程中起到了干扰的作用，而这一过程的目的是将糖分转化为生物燃料；同时木质素在制浆造纸过程中的纤维素提取中，也成为发挥高提取效率的主要障碍。

该团队提纯了21个木质素生物合成途径的相关酶，分析了189个与木质素形成有关的参数，并开发了一个计算模型，该模型能够预测合成途径中的酶如何影响木质素含量及其组分。其中的一个酶形成一个新的由四部分组成的结构，这项发现作为此项工作的一部分。该计算模型是基于在生物合成中，每一个步骤方程组的综合设置，目前它能够预测木质素的变化量和成分，不但如此，该计算模型能在不会对植物生长发育造成不良影响的情况下，预测出如何修改植物中的木质素总量及其成分。计算模型的预测，就如同GPS的导航功能一样，为未来的进步减少了研究年限。这项研究同样在其他复杂并具有显著经济效益的植物性状的生物进程建模中，以及预测控制方式上起到了促进作用。