PagERF81 regulates lignin biosynthesis and xylem cell differentiation in poplar

木质素 肉桂醇脱氢酶 木质部 转录因子 次生细胞壁 突变体 交易激励 生物 生物化学 转录组 基因 细胞生物学 生物合成 化学 基因表达 植物
作者
Xuezheng Zhao,Qiao Wang,Dian Wang,Wei Guo,Meng‐Xuan Hu,Ying‐Li Liu,Gongke Zhou,Guohua Chai,Shutang Zhao,Mengzhu Lu
出处
期刊:Journal of Integrative Plant Biology [Wiley]
卷期号:65 (5): 1134-1146 被引量:8
标识
DOI:10.1111/jipb.13453
摘要

Lignin is a major component of plant cell walls and is essential for plant growth and development. Lignin biosynthesis is controlled by a hierarchical regulatory network involving multiple transcription factors. In this study, we showed that the gene encoding an APETALA 2/ethylene-responsive element binding factor (AP2/ERF) transcription factor, PagERF81, from poplar 84 K (Populus alba × P. glandulosa) is highly expressed in expanding secondary xylem cells. Two independent homozygous Pagerf81 mutant lines created by gene editing, produced significantly more but smaller vessel cells and longer fiber cells with more lignin in cell walls, while PagERF81 overexpression lines had less lignin, compared to non-transgenic controls. Transcriptome and reverse transcription quantitative PCR data revealed that multiple lignin biosynthesis genes including Cinnamoyl CoA reductase 1 (PagCCR1), Cinnamyl alcohol dehydrogenase 6 (PagCAD6), and 4-Coumarate-CoA ligase-like 9 (Pag4CLL9) were up-regulated in Pagerf81 mutants, but down-regulated in PagERF81 overexpression lines. In addition, a transient transactivation assay revealed that PagERF81 repressed the transcription of these three genes. Furthermore, yeast one hybrid and electrophoretic mobility shift assays showed that PagERF81 directly bound to a GCC sequence in the PagCCR1 promoter. No known vessel or fiber cell differentiation related genes were differentially expressed, so the smaller vessel cells and longer fiber cells observed in the Pagerf81 lines might be caused by abnormal lignin deposition in the secondary cell walls. This study provides insight into the regulation of lignin biosynthesis, and a molecular tool to engineer wood with high lignin content, which would contribute to the lignin-related chemical industry and carbon sequestration.
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