在Populus simonii中通过全基因组范围识别LAC和CAD基因家族，以及由共表达的PsiLAC8-PsiCAD5模块介导的木质素生物合成功能

《Plant Physiology and Biochemistry》：Genome-wide identification of LAC and CAD gene family and the function of lignin biosynthesis by co-expressed PsiLAC8-PsiCAD5 module in Populus simonii

首次系统鉴定杨树（Populus simonii）漆酶（LAC）和肉桂醇脱氢酶（CAD）基因家族，共发现39个PsiLAC和18个PsiCAD成员。通过系统发育分析、结构预测及转录组表达 profiling，揭示其组织特异性表达及干旱/盐胁迫响应机制。构建PsiLAC8-PsiCAD5基因模块并转入COMT缺陷型杨树，成功提升木质素含量（C-lignin）及木材纤维长度，验证了该模块在木质素聚合中的关键作用，为生物质高值化利用和抗逆育种提供新策略。

　　本研究首次对**沙棘**（*Populus simonii*）中的**漆酶**（LAC）和**肉桂醇脱氢酶**（CAD）基因家族进行了全基因组识别与全面分析，揭示了该物种中包含39个LAC基因和18个CAD基因成员。通过系统性的系统发育分析和结构分析，研究人员将这些基因划分为不同的亚家族，突出了保守的结构域和进化上的差异性。同时，研究还分析了这些基因在不同组织中的特异性表达模式，发现它们在根、叶和顶芽中表现出较高的表达活性。此外，研究还探讨了它们在非生物胁迫（如干旱和盐害）下的响应机制，暗示这些基因可能在植物的抗逆性中发挥重要作用。

研究中，科学家们利用了**COMT基因敲除**（COMT-KO）的背景，因为COMT基因的缺失会导致**C-木质素前体**（如咖啡酰醇）的积累。在此基础上，研究人员发现，在**Cleome hassleriana**中，CAD5基因对咖啡醛（caffeyl aldehyde）具有更高的亲和力，并且能够特异性地催化**咖啡酰辅酶A**（caffeoyl coenzyme A）还原为咖啡酰醇。这使得LAC8基因能够促进咖啡酰醇的聚合，从而形成C-木质素。基于这一发现，研究团队构建了一个**PsiLAC8-PsiCAD5**的串联基因模块，并将其转入COMT-KO的*Populus*植株中。转基因植株表现出木质素含量的显著增加以及表型的改变，为这些基因在木质素聚合中的功能提供了实验证据。

这项研究不仅深化了我们对木质素生物合成机制的理解，也为通过基因工程手段调控*Populus*中C-木质素的合成奠定了基础。C-木质素由于其独特的结构特性，在碳纤维生产以及高价值化学品的降解方面具有显著优势。因此，该研究为提高生物质利用效率和增强植物抗逆性提供了新的策略。研究方法融合了生物信息学、表达谱分析和转基因验证等多种手段，突显了PsiLAC8-PsiCAD5在木质素合成和植物适应性方面的双重功能意义。

木质素是植物细胞壁的重要组成部分，主要由三种类型构成：**H-木质素**、**G-木质素**和**S-木质素**。这三种木质素类型在植物生长发育过程中发挥着关键作用，特别是在次生细胞壁的形成中。在*Populus*中，G-木质素和S-木质素占据主导地位，它们的结构复杂，难以被降解和利用。然而，随着技术的进步，科学家们在*Vanilla planifolia*（香草）和*Cleome hassleriana*（克莱默草）的种皮中发现了一种新型的**儿茶酚木质素**（C-木质素）。这种木质素在碳纤维生产和高价值化学品的分解方面展现出良好的性能。例如，在*Cleome hassleriana*的整个生命周期中，大约在授粉后12天，种皮木质素的合成会发生显著变化：原本占主导地位的**愈创木基木质素**（G-木质素）会被**儿茶酚木质素**（C-木质素）完全取代。通过转录组测序可以清晰地观察到，在木质素类型转变的关键节点，**CCoAOMT**和**COMT**这两个木质素合成路径中的重要基因的转录水平显著下降。

基于这一发现，研究人员推测，**CCoAOMT**和**COMT**基因表达水平的骤降会扰乱木质素合成路径中的原有代谢通量，从而促进木质素类型向C-木质素转变。这一研究成果极大地丰富了人们对植物木质素合成调控机制的理解，并为通过基因工程技术实现植物木质素含量和组成的精准调控提供了理论基础。此外，对*Cleome hassleriana*的研究进一步确认了**ChLAC8**和**ChCAD5**基因在C-木质素合成中的参与作用。在*Medicago sativa L*（紫花苜蓿）的研究中，发现C-木质素的积累需要**COMT**和**CCoAOMT**基因的下调表达。

因此，本研究提出了一个关键问题：在*Populus*的木质部中，**LAC8**和**CAD5**基因是否共表达？并且，是否可以在COMT-KO背景下过表达**PCAD5-LAC8**基因，从而实现*Populus*中C-木质素合成路径的构建？基于这些研究背景，本研究首次在*P. simonii*中识别并分析了LAC和CAD基因家族的成员。研究人员不仅构建了PsiLAC和PsiCAD基因家族的系统发育树，还对这些基因的蛋白特性、基因结构、保守结构域、染色体定位以及共线性进行了深入分析。此外，利用研究团队获得的未发表的*P. simonii*转录组数据，绘制了这些基因在不同组织和非生物胁迫条件下的表达热图。研究还通过过表达**PsiLAC8-PsiCAD5**基因，构建了转基因植株，并对其表型和木质素含量进行了系统分析。

研究结果表明，在COMT-KO背景下过表达**PsiLAC8-PsiCAD5**基因可以显著提高*P. simonii*植株的木质素含量，进而提升木材的光合作用效率，促进植物体内碳水化合物的合成。此外，转基因植株的纤维长度也显著增加，这进一步改善了木材质量。这些发现不仅为*Populus*中C-木质素的合成提供了理论依据，还为未来对这些基因在*P. simonii*中的具体功能及其在不同环境条件下的表达调控机制进行深入研究奠定了基础。

在实验材料方面，研究人员使用了经过组织培养的*Populus*幼苗，并将其在含有蔗糖和琼脂的生根培养基中培养。培养环境设定为24±2°C，每天16小时光照和8小时黑暗，相对湿度保持在65%到75%之间。培养一个月后，将幼苗移栽至土壤中，并置于温室中继续生长。在此过程中，研究人员定期观察并记录植株的表型变化。

在基因家族的识别与表征方面，研究团队首先对*P. simonii*全基因组中LAC和CAD基因家族的成员进行了系统分析，并根据其与*Arabidopsis thaliana*基因家族成员的同源关系对其进行了重新命名。随后，研究人员对这些基因的染色体信息、基因组位置、编码序列、蛋白长度、等电点、分子量以及亚细胞定位进行了全面分析。分析结果表明，这些基因在染色体上的分布具有一定的规律性，其结构和功能特征也呈现出多样性。

通过构建系统发育树，研究人员将LAC和CAD基因家族成员划分为不同的进化群组，进一步揭示了它们在植物进化过程中的分化和功能演变。这一分析不仅有助于理解这些基因在木质素合成中的作用，还为探索其在植物其他生理过程中的潜在功能提供了线索。此外，通过比较不同物种中的LAC和CAD基因，研究人员发现这些基因在不同植物中的分布并不均匀，这可能与植物种类的进化历史和生态适应性有关。

在表达分析方面，研究团队利用自主获得的*P. simonii*转录组数据，绘制了所有LAC和CAD基因在不同组织和非生物胁迫条件下的表达热图。这一分析揭示了这些基因在植物不同生长阶段和环境条件下的表达模式，为理解其在木质素合成和植物抗逆性中的作用提供了重要依据。例如，在根、叶和顶芽中，这些基因表现出较高的表达活性，而在其他组织中则相对较低。这表明它们可能在植物的某些特定生理过程中发挥关键作用。

此外，研究还探讨了这些基因在非生物胁迫条件下的响应机制。例如，在干旱和盐害等逆境条件下，某些LAC和CAD基因的表达水平会显著变化，这可能与其在植物应激反应中的功能有关。通过这些研究，科学家们希望揭示这些基因在植物适应环境变化中的潜在作用，并为未来开发抗逆性更强的植物品种提供理论支持。

在基因功能验证方面，研究团队基于COMT-KO背景，构建了**PsiLAC8-PsiCAD5**的转基因植株，并对其进行了系统的表型和木质素含量分析。实验结果表明，过表达这一串联基因模块的植株表现出显著的表型变化，包括木质素含量的增加和纤维长度的延长。这些变化不仅提高了木材的品质，还可能对植物的生长和抗逆性产生积极影响。

综上所述，本研究通过系统性的基因组分析和功能验证，揭示了LAC和CAD基因家族在木质素合成中的重要作用，并为未来在*Populus*中构建C-木质素合成路径提供了理论和技术支持。这一成果不仅有助于理解植物木质素合成的调控机制，还为提高生物质利用效率和增强植物抗逆性提供了新的思路。同时，该研究也展示了基因工程在植物功能研究中的巨大潜力，为后续的深入研究奠定了坚实的基础。