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咖啡酸甲基转移酶（Caffeic acid O-methyltransferase,COMT）是一类S-腺苷蛋氨酸（S-adenosylmethionine）依赖的氧甲基转移酶,具有极高的催化活性和底物广泛性,可催化多种底物甲基化,因此在植物多条代谢途径中都发挥重要作用。目前有关该基因的功能研究大多集中在木质素合成及改变木质素单体比例方面,少数集中在调控褪黑素合成方面,且仅在少数草本植物中证实了COMT调控褪黑素合成的功能。褪黑素作为近年来新兴的吲哚类植物激素,已有研究表明其积极广泛参与调控植物生长发育的诸多方面。最新的研究发现,通过基因工程手段改变内源褪黑素的含量可以显著促进植物的生长发育。目前关于植物褪黑素促进植物生长的研究基本上均基于草本植物,而林木拥有更漫长的生长周期,因此有必要对林木中褪黑素合成机制进行深入研究,以达到促使林木快速生长的目的。然而在林木中还没有调控褪黑素合成的相关研究。本研究以我国重要的造林树种欧洲白桦（Betula platyphylla）为研究材料,对白桦褪黑素合成途径的关键基因BpCOMT1进行转基因功能验证。随后利用转基因植株茎尖转录组和代谢组数据对BpCOMT1调控白桦生长速度的机制进行了研究,揭示了BpCOMT1通过调控褪黑素的合成促进白桦生长的基因与代谢机制,获得的主要结果如下:（1）利用生物信息学手段筛选和鉴定出白桦Bp COMT家族共有5个成员,并筛选出受褪黑素诱导表达显著上升的BpCOMT1基因作为研究对象。利用实时荧光定量（RTq PCR）对BpCOMT1基因在白桦各个组织中的表达量进行分析,结果显示BpCOMT1基因在各个组织部位中均有不同程度的表达,其中在茎尖中表达量最高。对BpCOMT1启动子序列进行分析表明其具有调控植物生长发育及次生壁合成相关顺式元件。随后成功克隆BpCOMT1启动子并对白桦进行遗传转化,启动子转基因白桦GUS染色结果显示BpCOMT1基因表达部位集中在生长旺盛的茎尖及幼嫩组织中。（2）获得了BpCOMT1过表达（BpCOMT1-OE）和抑制表达（BpCOMT1-RNAi）白桦转基因株系,与WT相比较,BpCOMT1-OE株系在组培和土培时期均显示出显著的促进生长表型,表现为生长速率加快、地上和地下部分生物量增加、株高增加、叶片变大和茎变粗,BpCOMT1-RNAi株系则呈现完全相反的表型,生长被显著抑制。BpCOMT1-OE株系茎尖中褪黑素的含量显著上升,而BpCOMT1-RNAi株系茎尖中褪黑素的含量显著下降。使用不同浓度的褪黑素进行处理白桦苗木,结果表明10μM和100μM的褪黑素均可促进白桦的生长。以上结果证明BpCOMT1为直接参与褪黑素合成的关键酶,其表达水平直接影响白桦茎尖中褪黑素的含量,并且一定浓度的褪黑素可以促进白桦的生长。（3）选取BpCOMT1-OE7株系和WT白桦生长过程中的五个时间点的茎尖进行转录组测序,五个时间点分别为,组培丛生芽生长第3周、组培苗第3周和土培苗第3、5、7周。转录组测序在五个时间点分别获得2861、3840、2295、2300和3438个差异基因（DEGs）,其中五个时间点有980个共有DEGs。对BpCOMT1-OE7株系五个时间点茎尖转录组DEGs进行共性分析,Pathway富集分析显示存在26个共有Pathway,其中包括褪黑素合成所在的色氨酸代谢以及类黄酮合成、激素响应和ABC转运蛋白等;GO（Gene ontology）注释分析显示存在72个共有GO terms,其中与植物激素代谢、生长发育和次生代谢途径相关的GO terms具有显著的DEGs富集。我们进一步筛选出与上述Pathway和GO terms相关的DEGs,并利用RT-q PCR技术对上述DEGs进行了表达水平分析,结果表明BpCOMT1影响了褪黑素合成、生长素早期响应、生长素极性运输和类黄酮合成相关基因的表达水平。（4）与WT白桦相比,BpCOMT1-OE株系茎尖中的游离态IAA含量显著上升,结合态IAA显著上升,总黄酮含量下降;BpCOMT1-RNAi株系茎尖中游离态IAA含量显著下降,总黄酮含量上升。BpCOMT1-OE和BpCOMT1-RNAi株系茎中木质素单体比例均极显著下降,总木质素含量均不变。结果表明过表达BpCOMT1引起了转基因植株茎尖中IAA含量的上升和负调控类黄酮的合成,促进了转基因白桦的生长,且排除了木质素单体比例变化的干扰。（5）对BpCOMT1-OE7、BpCOMT1-RNAi2株系和WT白桦培养3周组培苗（IP3W）和培养5周土培苗（PP5W）茎尖进行广泛靶向代谢组学测定。其中WT-IP3W vs.OEIP3W对比组共获得161个差异代谢物;WT-IP3W vs.RNAi-IP3W对比组共获得71个差异代谢物;WT-PP5W vs.OE-PP5W对比组共获得142个差异代谢物;WT-PP5W vs.OEPP5W对比组共获得41个差异代谢物。对所有差异代谢物进行KEGG（Kyoto encyclopedia of genes and genomes）富集分析,结果显示与褪黑素合成相关的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成途径显著富集;与类黄酮合成相关的KEGG代谢途径大量被富集。对苯丙氨酸途径中的差异代谢物进一步分析表明,BpCOMT1负调控三种类黄酮生长素极性运输抑制剂柚皮素（Naringenin）、槲皮素（Quercetin）与山奈酚（Kaemferol）的合成,提高了生长素的极性运输效率,促进了转基因白桦的生长。（6）在代谢层面解释了BpCOMT1-OE和BpCOMT1-RNAi株系茎中S/G比例均显著下降的原因,对BpCOMT1基因进行过表达和抑制表达后,均强烈促进了紫丁香苷的合成,导致S型木质素单体因缺乏前体物质而合成受限,而G型木质素单体合成未受到影响。（7）对BpCOMT1-OE7株系和WT白桦的组培苗和土培苗茎尖转录组和代谢组进行多组学联合分析,显示WT-IP3 vs.OE-IP3和WT-PP5 vs.OE-PP5对比组分别有16和15条KEGG代谢途径在至少一个组学中显著差异富集（p＜0.05）,包括褪黑素合成所在的色氨酸代谢以及类黄酮生物合成、黄酮和黄酮醇生物合成、异黄酮生物合成、苯丙氨酸代谢和ABC转运蛋白。实验结果再次证实,BpCOMT1的表达水平影响褪黑素和类黄酮的合成。随后对类黄酮合成相关DEGs和差异代谢物绘制相关性系数聚类热图,为以后深入探究BpCOMT1对类黄酮合成的调控机制提供基础。综上所述,BpCOMT1在白桦茎尖部位直接参与调控褪黑素的合成,褪黑素可能作为信号分子通过信号转导系统的介导促进茎尖中IAA的合成,同时BpCOMT1在代谢途径负调控类黄酮生长素极性运输抑制剂柚皮素、槲皮素与山奈酚的合成,提高IAA的极性运输效率,上述原因共同促进白桦的生长。本研究为BpCOMT1促进植物快速生长的基因及代谢机制提供了新的思路,为获得速生林木的遗传育种奠定了理论基础。