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植物的细胞壁决定细胞形状和大小,为植株生长发育提供机械支撑和保护屏障。尽管细胞壁生物合成参与植物细胞分裂、伸长和分化,但相关调控机理尚未深入研究。纤维素是细胞壁的主要成分,对植物的形态建成和生长发育至关重要,然而纤维素生物合成的调控机理尚不清楚。此外,虽然纤维素合酶超大家族基因种类多,功能各异,但能成功用于遗传改良植物生长和提高生物质产量的鲜有报道。因此,深入研究纤维素合酶(Ces A)家族基因及纤维素合酶类似D(CSLD)基因的生物学功能,具有重要科学意义和应用价值。本研究以拟南芥为主要研究对象,利用几十份遗传突变体和超表达材料,系统分析了AtCesAs基因和AtCSLD3/Gh CSLD3基因在植物纤维素生物合成与细胞壁形成、植物细胞伸长与分裂、植物生长发育与生物质产量形成等过程中的功能和相关分子机理。主要结果如下:1.通过比较分析六个AtCesA家族基因(CesA2、A5、A6、A3、A7、A9)超表达和四个AtCesAs突变体(prc1-1、Ces A6、rsw1/CesA1、IRX3/CesA7)的生物学功能,初步概括出从幼苗期(初生细胞壁合成)到植物成熟期(次生壁沉积)的三种模式,即初生壁增强型、初生壁调控型和次生壁限制型:(i)首先发现在初生壁时期,三个AtCesA6-like基因(AtCesA2、5、6)超表达,加速了纤维素合酶复合体在原生质膜上的运动速率,显著提高了纤维素合成和改变微纤丝特性,促进了细胞伸长或细胞伸长模式的改变,同时正向影响细胞分裂,从而促进初生壁合成和幼苗的生长;(ii)进一步发现了初生壁合成对次生壁沉积的动态调控以及对细胞壁完整性的正向影响;(iii)最后关联分析出了细胞壁完整性和次生壁沉积对细胞壁机械强度和植物生物量的正向影响。故本研究首次通过超表达三个AtCesA6-like基因显著提高了植物生物质产量,也从上述三种模式中论述了AtCesA6-like基因提高生物质产量的唯一性。提出了从细胞壁发育过程着手,先增强初生壁合成,再正向影响次生壁合成来促进植物生长发育的新思路,为植物的遗传改良提供了理论基础。2.依据纤维素合酶类似(CSL)家族中D基因家族与CesA序列相似性最高的特性,筛选了CSLD与CesA家族基因在这两个家族基因突变体中的超表达株系,并对部分株系做了深入的功能分析,为CSLD在特定的时期或组织中能替代CesA功能参与纤维素合成提供了进一步的实验证据。此外,本研究通过拟南芥及棉花CSLD3基因超表达转基因材料和乙烯信号传导突变体材料,系统分析了CSLD3基因对拟南芥细胞伸长、根毛发育以及植株生长的促进作用,并证明了CSLD3在处于乙烯信号传导以及磷酸盐饥饿诱导途径下游,调控根生长与根毛顶端伸长。