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木质素(Lignin)是自然界含量第二丰富的植物生物聚合物,主要沉积在维管植物的次生细胞壁中,对于营养物质运输、机械支持和植物病原体防御等生理过程至关重要。同时,木质素在工业农业生产上也有着广泛应用。木质素主要由对香豆醇(H型单体,p-coumaryl alcohol)、松柏醇(G型单体,coniferyl alcohol)和芥子醇(S型单体,sinapyl alcohol)三种单体氧化偶联产生,这些单体均通过苯丙烷代谢途径合成,最终通过过氧化物酶和漆酶在细胞壁中聚合。然而,木质素单体合成后,从胞质溶胶运输到细胞壁的机制仍不完全清楚。因此,阐明木质素单体的跨膜转运过程,对于研究木质素生物合成与次生细胞壁调控具有重要意义。经证实,木质素单体(Monolignol)的跨膜转运过程需要利用ATP水解产生的能量,这就暗示了这一过程可能需要ATP结合盒(ABC)转运蛋白的参与。前人已证实,拟南芥中的H型木质素单体由AtABCG29蛋白负责转运。但木质素另外两类重要单体(G和S)如何被转运目前尚不清楚。本研究发现,拟南芥abcg36突变体的根生长明显受到G型和S型木质素单体的抑制,暗示ABCG36蛋白可能参与了G型和S型木质素单体的跨膜转运,为了阐明ABCG36在木质素单体转运中的生物学功能,本论文开展了深入的研究,具体结果如下:1.采用G型和S型木质素单体胁迫处理野生型(WT)拟南芥并进行转录组测序分析,发现AtABCG36转运蛋白基因表达受到显著诱导,暗示该基因可能参与G型和S型木质素单体的转运。从拟南芥中克隆了AtABCG36基因,同时筛选并鉴定获得了T-DNA插入突变体abcg36-1和abcg36-2;2.外源施加G型和S型木质素单体处理拟南芥abcg36-1、abcg36-2突变体,与野生型对照相比,abcg36-1、abcg36-2突变体表现出对G型和S木质素单体更为敏感的表型,植物生长受到抑制,根长更短;3.组织表达谱和原位杂交分析显示,AtABCG36在拟南芥根和茎中表达量较高,而在茎中木质部区域大量积累。亚细胞定位分析证实,AtABCG36蛋白定位在细胞膜上;4.组织切片分析显示,与野生型相比,突变体abcg36-1、abcg36-2中木质部细胞的细胞壁厚度变薄。木质素含量测定发现,突变体abcg36-1、abcg36-2茎中木质素积累显著降低,且木质素单体比例也发生了明显变化。荧光定量检测分析木质素合成途径的相关基因表达水平发现,与野生型相比,abcg36-1、abcg36-2突变体中重要调控因子MYB46、MYB83及关键酶基因CCR1、CAD1和CCoAOMT1等表达水平均不同程度地下调;5.在酵母中表达AtABCG36基因,能够显著增加其对G型和S型木质素单体胁迫的耐受能力。同时,AtABCG36转运蛋白也增强了酵母细胞外排G型和S型木质素单体的能力;6.进一步通过生物信息学分析,克隆了在毛果杨中AtABCG36的同源蛋白PtrABCG36。将PtrABCG36基因在拟南芥中超量表达,与野生型拟南芥相比,转基因植株表现出对G型和S型木质素单体胁迫更强的耐受性,且PtrABCG36超量表达促进了转基因拟南芥茎中木质素的合成。在酵母细胞中,PtrABCG36蛋白同样促进了G型和S型木质素单体外排。综上所述,本研究克隆了拟南芥木质素合成代谢途径上一个重要的转运蛋白基因AtABCG36,遗传和生化实验证明了该基因具有转运G型和S型木质素单体跨膜运输的能力,从而影响了拟南芥茎中木质部的发育。同样地,在木本植物杨树中AtABCG36的同源蛋白PtrABCG36也具有相似的木质素单体转运功能。本研究将有助于阐明植物体内木质素的转运机制,为木材发育调控机制的解析奠定基础。