水曲柳FmCCoAOMT基因在木质素合成及非生物胁迫中的功能分析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2023.05.013

植物研究 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (5): 768-778.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2023.05.013

水曲柳FmCCoAOMT基因在木质素合成及非生物胁迫中的功能分析

单超然¹, 陈晓慧¹, 丁云飞², 赵威², 卢晗¹, 高尚珠¹, 齐凤慧¹, 詹亚光¹, 曾凡锁¹()

^1.东北林业大学生命科学学院，哈尔滨 150040
^2.黑龙江省海林市林业和草原局，牡丹江 157100

收稿日期:2023-05-03 出版日期:2023-09-20 发布日期:2023-09-05
通讯作者: 曾凡锁 E-mail:zeng@nefu.edu.cn
作者简介:单超然（1996—），女，硕士研究生，主要从事林木遗传改良研究。
基金资助:
中央高校基本科研业务费(2572021DT06);林木遗传育种国家重点实验室创新项目(2022A03)

Functional Analysis of FmCCoAOMT Gene in Fraxinus mandshurica During Lignin Synthesis and Abiotic Stress

Chaoran SHAN¹, Xiaohu CHEN¹, Yunfei DING², Wei ZHAO², Han LU¹, Shangzhu GAO¹, Fenghui QI¹, Yaguang ZHAN¹, Fansuo ZENG¹()

^1.College of Life Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040
^2.Forestry and Grassland Bureau of Hailin，Mudanjiang 157100

Received:2023-05-03 Online:2023-09-20 Published:2023-09-05
Contact: Fansuo ZENG E-mail:zeng@nefu.edu.cn
About author:E-mail：zeng@nefu.edu.cn
SHAN Chaoran（1996—），female，postgraduate，major in forest tree genetic improvement research.
Supported by:
Basic Research Funds for Central Universities(2572021DT06);Innovation project of State Key Laboratory of Forest Tree Genetics and Breeding(2022A03)

摘要/Abstract

摘要：

为了明确FmCCoAOMT基因的功能，以水曲柳（Fraxinus mandshurica）为材料，利用qRT-PCR方法分析FmCCoAOMT基因的表达模式，结果显示FmCCoAOMT基因具有组织特异性。在雌株和雄株多年生木质部的表达量最高，其中在雄株中是新生枝皮表达量的9.4倍，在雌株中是叶片表达量的13.1倍。采用叶盘法获取转基因烟草（Nicotiana tabacum）植株，过表达FmCCoAOMT的烟草与野生型相比，木质素含量升高41%，纤维素和半纤维素含量分别降低32%和52%。非生物胁迫处理后过表达FmCCoAOMT烟草相比于野生型，POD和SOD活性增加，MDA含量下降，且活性氧含量减少，其中NaCl处理后，POD活性比对照组升高83%；NaCl、ABA和甘露醇处理后，SOD活性比对照组分别升高56.6%、44.2%和19.0%，MDA含量比对照组分别降低了77.2%、11.7%和47.6%。结果表明FmCCoAOMT基因通过参与木质素合成，促进非生物胁迫适应能力。

关键词: 水曲柳, 木质素, FmCCoAOMT, 非生物胁迫

Abstract:

To clarify the function of FmCCoAOMT gene， the expression pattern of FmCCoAOMT gene was analyzed by qRT-PCR using Fraxinus mandshurica as material in this study. The results showed that FmCCoAOMT gene was tissue specific. The expression level was the highest in the xylem of both female and male perennial plants， and was 9.4 times higher than that in the bark of new shoots in male plants， and was 13.1 times higher than that of leaf in female plants. The leaf disk method was used to obtain transgenic tobacco plants. Compared with the wild type， the lignin content of overexpressing FmCCoAOMT was increased by 41%， while the cellulose and hemicellulose contents were decreased by 32% and 52%， respectively. Tobacco overexpressing FmCCoAOMT after abiotic stress treatment compared to wild type， the activity of POD and SOD increased， the content of MDA decreased， and the content of reactive oxygen decreased after stress treatment. After NaCl treatment， POD activity was 83% higher than that of control group. After NaCl， ABA and mannitol treatments， SOD activity increased by 56.6%， 44.2% and 19.0%， and MDA content decreased by 77.2%， 11.7% and 47.6%， respectively. The results indicated that FmCCoAOMT gene might be involved in lignin synthesis of F. mandshurica， promoted abiotic stress tolerance.

Key words: Fraxinus mandshurica, Lignin, FmCCoAOMT, Abiotic stress

中图分类号:

Q786

单超然, 陈晓慧, 丁云飞, 赵威, 卢晗, 高尚珠, 齐凤慧, 詹亚光, 曾凡锁. 水曲柳FmCCoAOMT基因在木质素合成及非生物胁迫中的功能分析[J]. 植物研究, 2023, 43(5): 768-778.

Chaoran SHAN, Xiaohu CHEN, Yunfei DING, Wei ZHAO, Han LU, Shangzhu GAO, Fenghui QI, Yaguang ZHAN, Fansuo ZENG. Functional Analysis of FmCCoAOMT Gene in Fraxinus mandshurica During Lignin Synthesis and Abiotic Stress[J]. Bulletin of Botanical Research, 2023, 43(5): 768-778.

图/表 9

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

参考文献 37

1	ESLICK E M， BEILBY M J， MOON A R.A study of the native cell wall structures of the marine alga Ventricaria ventricosa（Siphonocladales，Chlorophyceae） using atomic force microscopy［J］.Microscopy，2014，63（2）：131-140.
2	YE Z H， YORK W S， DARVILL A G.Important new players in secondary wall synthesis［J］.Trends in Plant Science，2006，11（4）：162-164.
3	魏建华，宋艳茹.木质素生物合成途径及调控的研究进展［J］.植物学报，2001，43（8）：771-779.
	WEI J H， SONG Y R.Recent advances in study of lignin biosynthesis and manipulation［J］.Bulletin of Botany，2001，43（8）：771-779.
4	YE Z H.Association of caffeoyl coenzyme A 3-O-methyltransferase expression with lignifying tissues in several dicot plants［J］.Plant Physiology，1997，115（4）：1341-1350.
5	WANG G F， BALINT-KURTI P J.Maize homologs of CCoAOMT and HCT，two key enzymes in lignin biosynthesis，form complexes with the NLR Rp1 protein to modulate the defense response［J］.Plant Physiology，2016，171（3）：2166-2177.
6	PAKUSCH A E， KNEUSEL R E， MATERN U.S-adenosyl-L-methionine：trans-caffeoyl-coenzyme A 3-O-methyltransferase from elicitor-treated parsley cell suspension cultures［J］.Archives of Biochemistry and Biophysics，1989，271（2）：488-494.
7	李雪平，高志民，彭镇华，等.绿竹咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶基因的克隆与分析［J］.分子植物育种，2008，6（3）：587-592.
	LI X P， GAO Z M， PENG Z H，et al.Cloning and characterization of CCoAOMT gene from bambusa oldhamii［J］.Molecular Plant Breeding，2008，6（3）：587-592.
8	吴晓宇，胡尚连，曹颖，等.慈竹CCoAOMT基因的克隆及生物信息学分析［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2012，36（3）：17-22.
	WU X Y， HU L S， CAO Y，et al.Cloning of CCoAOMT gene in Neosinocalamus affinis and its bioinformatics analysis［J］.Journal of Nanjing Forestry University（Natural Sciences Edition），2012，36（3）：17-22.
9	姚连梅，胡晓晴，周菲，等.白桦反义CCoAOMT基因调控木质素生物合成［J］.植物研究，2019，39（1）：123-130.
	YAO L H， HU X Q， ZHOU F，et al.Antisense CCoAOMT gene regulates lignin biosynthesis in Betula platyphylla ［J］.Bulletin of Botanical Research，2019，39（1）：123-130.
10	RAES J， ROHDE A， CHRISTENSEN J H，et al.Genome-wide characterization of the lignification toolbox in Arabidopsis ［J］.Plant Physiology，2003，133（3）：1051-1071.
11	刘红梅，胡尚连，卢学琴，等.青杨CCoAOMT基因的克隆及其生物信息学分析［J］.湖北农业科学，2014，53（11）：2670-2674.
	LIU H M， HU S L， LU X Q， et al.Cloning and bioinformatics analysis of CCoAOMT gene in Populus cathayana Rehd［J］.Hubei Agricultural Sciences，2014，53（11）：2670-2674.
12	MARTZ F， MAURY S， PINCON G，et al.cDNA cloning，substrate specificity and expression study of tobacco caffeoyl-CoA 3-O-methyltransferase，a lignin biosynthetic enzyme［J］.Plant Molecular Biology，1998，36（3）：427-437.
13	LI X Y， CHEN W J， ZHAO Y，et al.Downregulation of caffeoyl-CoA O-methyltransferase（CCoAOMT） by RNA interference leads to reduced lignin production in maize straw［J］.Genetics and Molecular Biology，2013，36（4）：540-546.
14	FU Y Y， ZHU Y Y， YANG W，et al.Isolation and functional identification of a Botrytis cinerea-responsive caffeoyl-CoA O-methyltransferase gene from Lilium regale wilson［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2020，157：379-389.
15	YANG Q， HE Y J， KABAHUMA M，et al.A gene encoding maize caffeoyl-CoA O-methyltransferase confers quantitative resistance to multiple pathogens［J］.Nature Genetics，2017，49（9）：1364-1372.
16	WANG Q X， JIN Q， MA Y Y，et al.Iron toxicity-induced regulation of key secondary metabolic processes associated with the quality and resistance of Panax ginseng and Panax quinquefolius ［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2021，224：112648.
17	YAMAGUCHI M， VALLIYODAN B， ZHANG J，et al.Regulation of growth response to water stress in the soybean primary root.I.Proteomic analysis reveals region-specific regulation of phenylpropanoid metabolism and control of free iron in the elongation zone［J］.Plant，Cell & Environment，2010，33（2）：223-243.
18	GIORDANO D， PROVENZANO S， FERRANDINO A，et al.Characterization of a multifunctional caffeoyl-CoA O-methyltransferase activated in grape berries upon drought stress［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2016，101：23-32.
19	CHUN H J， BAEK D， CHO H M，et al.Lignin biosynthesis genes play critical roles in the adaptation of Arabidopsis plants to high-salt stress［J］.Plant Signaling & Behavior，2019，14（8）：1625697.
20	CHUN H J， LIM L H， CHEONG M S，et al.Arabidopsis CCoAOMT1 plays a role in drought stress response via ROS- and ABA-dependent manners［J］.Plants，2021，10（5）：831.
21	赵兴堂，夏德安，曾凡锁，等.水曲柳生长性状种源与地点互作及优良种源选择［J］.林业科学，2015，51（3）：140-147.
	ZHAO X T， XIA D A， ZENG F S，et al.Provenances by sites interaction of growth traits and provenance selection of Fraxinus mandshurica ［J］.Scientia Silvae Sinicae，2015，51（3）：140-147.
22	梁楠松.小黑杨bHLH转录因子基因的克隆及遗传转化［D］.哈尔滨：东北林业大学，2014.
	LIANG N S.Cloning and gentic transformation of bHLH transcription factor gene in Populus xiaohei T.S.hwang et liang［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2014.
23	纪欣童，于磊，詹亚光.水曲柳BZR1基因克隆及其表达模式分析［J］.植物研究，2021，41（5）：744-752.
	JI X T， YU L， ZHAN Y G.Cloning and expression analysis of BRASSINAZOLE RESISTANTANT1（BZR1） gene from Fraxinus mandshurica ［J］.Bulletin of Botanical Research，2001，41（5）：744-752.
24	齐凤慧，陈思齐，付德山，等.水曲柳FmSOC1基因烟草中遗传转化［J］.西北林学院学报，2017，32（5）：98-103.
	QI F H， CHEN S Q， FU D S，et al.Genetic transformation of SOC1 gene from Ash to Tobacco［J］.Journal of Northwest Forestry University，2017，32（5）：98-103.
25	尹增芳，樊汝汶.植物细胞壁的研究进展［J］.植物研究，1999，41（4）：407-414.
	YIN Z F， FAN R W.The study progress on the cell wall［J］.Bulletin of Botanical Research，1999，41（4）：407-414.
26	常瑞娜，汪杏芬，陈鸿鹏.五节芒CCoAOMT和4CL的克隆和表达分析［J］.华北农学报，2012，27（4）：29-35.
	CHANG R N， WANG X F， CHEN H P.Cloning and expression analysis of CCoAOMT and 4CL genes from Miscanthus floridulus ［J］.Acta Agriculturae Boreali-Sinica，2012，27（4）：29-35.
27	章霄云，郭安平，贺立卡，等.木质素生物合成及其基因调控的研究进展［J］.分子植物育种，2006，4（3）：431-437.
	ZHANG X Y， GUO A P， HE L K，et al.Advances in study of lignin biosynthesis and its genetic manipulation［J］.Molecular Plant Breeding，2006，4（3）：431-437.
28	WAGNER A， TOBIMATSU Y， PHILLIPS L，et al.CCoAOMT suppression modifies lignin composition in Pinus radiata ［J］.The Plant Journal，2011，67（1）：119-129.
29	ZHAO D Q， LUAN Y T， SHI W B，et al.A Paeonia ostii caffeoyl-CoA O-methyltransferase confers drought stress tolerance by promoting lignin synthesis and ROS scavenging［J］.Plant Science，2021，303：110765.
30	PANG S L， ONG S S， LEE H H，et al.Isolation and characterization of CCoAOMT in interspecific hybrid of Acacia auriculiformis×Acacia mangium：a key gene in lignin biosynthesis［J］.Genetics and Molecular Research，2014，13（3）：7217-7238.
31	黄春琼，刘国道，郭安平.反义CCoAOMT基因调控烟草木质素的生物合成［J］.安徽农业科学，2008，36（19）：8026-8027，8043.
	HUANG C Q， LIU G D， GUO A P.Lignin biosynthesis regulated by antisense CCoAOMT gene in Tobacco［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2008，36（19）：8026-8027，8043.
32	LE GALL H， PHILIPPE F， DOMON J M，et al.Cell wall metabolism in response to abiotic stress［J］.Plants，2015，4（1）：112-166.
33	吕笑言，王宇光，金英.甜菜BvM14-CCoAOMT基因的克隆、表达及生物信息学分析［J］.黑龙江大学自然科学学报，2018，35（3）：317-323.
	LÜ X Y， WANG Y G， JIN Y.Cloning，Expression and bioinformatics analyses of BvM 14 -CCoAOMT gene［J］.Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2018，35（3）：317-323.
34	GHOSH R， CHOI B， JEONG M J，et al.Comparative transcriptional analysis of caffeoyl-coenzyme A 3-O-methyltransferase from Hibiscus cannabinus L.，during developmental stages in various tissues and stress regulation［J］.Plant Omics，2012，5（2）：184-193.
35	LIU S J， HUANG Y H， HE C J，et al.Cloning，bioinformatics and transcriptional analysis of caffeoyl-coenzyme A 3-O-methyltransferase in switchgrass under abiotic stress［J］.Journal of Integrative Agriculture，2016，15（3）：636-649.
36	LIU C J， MIAO Y C， ZHANG K W.Sequestration and transport of lignin monomeric precursors［J］.Molecules，2011，16（1）：710-727.
37	SONG J L， WANG Z Y， WANG Y H，et al.Overexpression of Pennisetum purpureum CCoAOMT contributes to lignin deposition and drought tolerance by promoting the Accumulation of flavonoids in Transgenic Tobacco［J］.Frontiers in Plant Science，2022，13：884456.

[1]	王春瑶, 雷晓锦, 刘中原. 逆境胁迫下山新杨PdbHMGs基因表达模式分析[J]. 植物研究, 2023, 43(6): 932-942.
[2]	周露华, 方俊仪, 熊子墨, 巫伟峰, 刘佳瑞, 陆乔, 凌宏清, 孔丹宇. 不同番茄种质的耐涝能力评价[J]. 植物研究, 2023, 43(5): 657-666.
[3]	矫春晶, 李明月, 张鹏. 外源激素浸种与渗透处理对水曲柳种子热休眠的作用[J]. 植物研究, 2023, 43(3): 370-378.
[4]	申晨静, 武文博, 耿露冉, 王福龙, 赵鹏舟, 宋金辉, 詹亚光, 尹静. 水杨酸、纳米氧化锌和促生真菌YZ13-1在水曲柳抵御干旱胁迫中的调控作用[J]. 植物研究, 2023, 43(3): 388-395.
[5]	任悦, 魏骋, 徐添添, 沈海龙, 杨玲. 超低温保存处理对水曲柳胚胎生理生化特征的影响[J]. 植物研究, 2023, 43(3): 396-403.
[6]	覃碧, 王肖肖, 杨玉双, 聂秋海, 陈秋惠, 刘实忠. 橡胶草TkAPC10基因的鉴定及其表达模式分析[J]. 植物研究, 2022, 42(5): 830-839.
[7]	齐凤慧, 王雯萱, 刘林, 汤明硕, 宋飞翔, 詹亚光. 基于液—固交替培养的水曲柳快速微繁系统研究[J]. 植物研究, 2022, 42(2): 184-190.
[8]	尹一卜, 李吉祥, 郭樱杰, 芦子廷, 肖英, 刘华领, 詹亚光, 曾凡锁. 白蜡属种间杂交子代木质素含量变异及FmPAL核苷酸多态性关联分析[J]. 植物研究, 2022, 42(2): 191-199.
[9]	崔程程, 李明月, 张鹏. PEG渗透处理水曲柳种子影响其热休眠诱导及水分状态的关联性研究[J]. 植物研究, 2021, 41(6): 904-910.
[10]	张博超, 王佳琳, 殷缘, 车易达, 邓俊杰, 张荣沭. 山新杨PdPapWRKY51基因在胁迫条件下的组织表达模式[J]. 植物研究, 2021, 41(6): 911-920.
[11]	纪欣童, 于磊, 詹亚光. 水曲柳BZR1基因克隆及其表达模式分析[J]. 植物研究, 2021, 41(5): 744-752.
[12]	王肖肖, 覃碧, 杨玉双, 聂秋海, 张继川, 刘实忠. 橡胶草E2泛素结合酶基因TkUBC2基因的克隆及其表达分析[J]. 植物研究, 2021, 41(1): 98-106.
[13]	卢艳, 闫月, 崔程程, 张鹏. 初生休眠解除状态和干燥处理对水曲柳种子萌发的影响[J]. 植物研究, 2020, 40(4): 490-495.
[14]	姜骋, 张曦, 田晴, 李莉. 白桦BpbHLH112基因克隆及其启动子表达特性分析[J]. 植物研究, 2020, 40(4): 583-592.
[15]	马苗苗, 李成浩, 刘晓, 张馨, 杨静莉. 日本落叶松LoERF017基因的克隆及生物信息学分析[J]. 植物研究, 2020, 40(4): 602-612.

水曲柳FmCCoAOMT基因在木质素合成及非生物胁迫中的功能分析

Functional Analysis of FmCCoAOMT Gene in Fraxinus mandshurica During Lignin Synthesis and Abiotic Stress

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 37

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价