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木质素广泛地存在于维管植物中,与纤维素、半纤维素共同构成了植物的基本骨架。定向改良植物木质素组成和结构不仅减少二代生物能源的成本而且为木质素的深加工奠定基础。本文以杨树为基本的研究对象,结合当下对木质素单体生物合成途径的新认识,系统地对木质素单体生物合成途径的关键酶基因家族的功能分化进行了研究,主要内容和结论如下:1)利用毛果杨基因组,结合系统发生分析、表达谱分析和启动子分析,对新报道的木质素单体生物合成关键酶咖啡酰莽草酸酯酶(CSE)和其上下游基因编码莽草酸羟基肉桂酰转移酶(HCT)的基因家族进行了研究,结果显示PtoHCT1和PtoCSE1和2具有相应的催化活性,且PtoCSE1和PtoCSE2极有可能在功能重叠的同时也存在功能分化:PtoCSE1主要参与木质素单体生物合成,PtoCSE2则可能参与防御和相应外界胁迫。直系同源的CSE在许多单子叶植物检测不到,仅在水稻中有检测到直系同源的OsCSE5 and OSINDICA_CSE7。这是CSE发现以来第一次对CSE基因家族的系统研究,这些结果进一步证实了在杨树中参与木质素单体生物合成的CSE基因的存在。2)对木质素单体生物合成途径中肉桂酿辅酶A酯还原酶(CCR)和肉桂醇脱氢酶(CAD)的家族成员的功能分化研究显示,9个PtoCAD/CAD-like基因编码的蛋白只有PtoCAD1,2,8可以在体外检测到相应活性。对PtoCAD2的酶学动力学实验进一步证实了所谓SAD应该只是CAD的一个分支。对11个PtoCCR/CCR-like基因的研究显示,只有PtoCCR1和7具有可检测到的体外活性,且两者的生化性质上具有很大差异。进一步对这两个基因家族基因系统发生和表达谱分析都表明这两个家族的基因存在功能分化。3)针对PtoCCR7的定点突变研究以及分子模拟分析揭示了 CCR活性相关的关键位点。其中H208和R259被确定为区分CCR和CCR类似蛋白的两个重要识别位点。对不同系统发生类群植物中CCR的研究发现之前报道的作为CCR特异识别的功能域NWYCY并不具有普适性。对江南卷柏CCR的研究揭示了一个新的CCR亚家族的存在。对小立碗藓和藻类基因组的筛选和分析都表明真正的CCR或真正CCR前体很有可能是在苔藓类中才出现,而不是由报道所说的在藻类就存在。4)成功克隆并得到了毛白杨中参与木质素单体生物合成的关键基因。利用木质部和韧皮部的四季表达谱数据,我们发现春夏两季主导木质素单体生物合成途径的是上游基因(PAL,4CL,C3H,CCoAOMT,CSE),而在秋冬两季则是以下游的CAD和CCR主导木质素单体合成途径,同时木质化的效率也会有所下降。综上,本研究立足于整个木质素单体生物合成途径的关键酶和基因的系统分析,为毛白杨木质素基因改良提供了完整参考信息,同时也揭示了木质素单体生物合成中部分关键酶的结构和演化历程。