黑杨因其优良速生性成为重要的经济林业品种,其中在我国引种选育出来的优良欧美杨,是北方地区主要的用材树种。木材的形成来源于树木的径向生长,主要是由于木本植物茎维管束形成层向内外不断分裂和分化导致的,该过程包括了一系列复杂且重要的生理过程。深入了解这些信息将有利于研究树木径向生长的调控机制以及合理充分地获得木材生物量的最大化积累。为了阐明树木径向生长的分子机理与调控机制,本研究选取了两种具有显著径向生长差异的欧美杨基因型107(Populus ×euramericana cv.’Neva’)和 I-214(Populus × euramericana cv.’I-214’)进行生长生理比较,然后再利用高通量测序技术分析两种杨树的形成层转录组表达谱,并构建基因共表达网络模型,挖掘并分析与杨树径向生长活动特性相关的特征模块。同时还克隆了特性相关的重要基因,并通过基因过表达和CRISPR/Cas9基因敲除技术对基因功能进行分析。主要的研究结果如下所示:(1)利用植物生长测量仪dendrometer对一个生长季(六月至九月)中两种杨树的径向生长进行连续实时测量。结果显示两种杨树都呈现出相似的S型生长曲线,并且速生杨107相较于对照杨1-214表现出更快的径向生长趋势。同时107杨较高的光合能力还能够积累更多有机物用于植物的生长。在速生前期(六月初),107杨显示出较高的蒸腾速率,同时也表现出较大的茎最大日收缩量。而在速生期(八月初)和速生后期(九月末),1-214杨则展现出更高的蒸腾速率和茎收缩量。在整个生长过程中,1-214杨都呈现出较高的茎段相对含水量。这表明在相同的生长时期107杨获得了更大的干物质量积累。(2)通过Illumina测序平台对杨树107和1-214形成层转录组测序分析,分别获得了 286612666和297145856条长度为100 bp的读长序列。将这些测序数据拼接后进行基因功能注释发现,表达基因主要分布在RNA转录、蛋白翻译后修饰、信号传导、碳水化合物运输和代谢以及胞内分泌和膜泡运输等生理过程中。这些过程都与细胞循环、生长以及细胞壁发育过程紧密相关。差异表达分析显示差异基因主要聚集在肌醇合成、防御响应,以及包括淀粉酶活性、葡聚糖代谢和木糖葡聚糖基转移酶活性等碳水化合物代谢中。这些结果表明从总体上看两种杨树的生长差异主要存在于碳水化合物的相关代谢过程。(3)本研究选取了速生前期、速生期和速生后期三个时间点的两种杨树形成层材料进行转录组表达谱分析。将处理后的测序数据比对到杨树参考基因组上,共检测到34937个表达基因。通过比较不同生长时期间的差异表达基因,发现在不同生长阶段转变的过程中,两种杨树都表现出相似的基因功能模式和生物过程变化。在速生前期到速生期的转变过程中,上调差异表达基因主要富集在细胞循环相关的生物过程中,而在速生期到速生后期的转变过程中,则主要聚集在代谢和刺激响应过程中,而细胞成分合成过程中大量基因则下调表达。同时还在三个生长时期中两种杨树间分别筛选到了 1542,2295和2110个差异表达基因。在速生前期,速生杨107中的上调差异基因主要集中在植物细胞壁相关过程中,而对照杨1-214,则主要聚集在胁迫和防御响应过程中。进入速生期,107杨差异基因主要聚集在细胞交流和信号传导过程中,而1-214杨则在应激和防御响应,以及细胞壁合成过程中表现出基因上调表达。到了速生后期,107杨更多基因集中于日昼节律的调控,而1-214杨基因则集中于光响应相关过程。同时利用 WGCNA(Weighted Gene Coexpression Network Analysis)程序进行的基因共表达网络分析还展现了一个整体的基因表达变化过程。本研究共鉴定出18个共表达网络模块。根据不同模块中基因在不同生长时期的两种杨树中的表达模式差异及GO功能注释,发现blue模块的基因大量参与细胞周期和分裂等相关过程,且两种杨树的基因表达水平与其径向生长速率的变化相一致。这表明该部分基因的表达与生长速率的变化有着显著相关性,而且在两种杨树的生长过程中都相对保守。在与细胞壁发育合成相关的tan模块分析中,发现该模块基因在速生前期的两种杨树中有显著表达差异,主要富集在细胞壁发育,以及木质素和多糖的合成代谢过程中。而对于与基因型相关的red模块的分析则筛选出一些在两种杨树间显著性差异表达的基因。(4)在杨树基因组中共鉴定出35个杨树TALE转录因子家族基因,其中包括20个BELL基因和15个KNOX基因。基因染色体定位和基因复制的分析表明,杨树进化过程中的全基因组复制过程导致了杨树TALE基因家族成员的扩增。同时杨树和拟南芥TALE基因家族的系统发育关系分析显示在BELL和KNOX两个亚家族分离后,还各自分别产生了两个分支。结合杨树基因表达数据的分析预示了不同分支可能在杨树茎组织生长发育过程中存在着不同作用。(5)根据之前的分析,本研究还首次从速生杨107中克隆了一个BELL转录因子基因PdnBELL15。该基因在整个生长季的107杨中都显著上调,且在杨树茎中显示出组织特异性表达。过表达杨树茎的横向切片结果显示,该基因能够促进韧皮纤维和木质部细胞的提早木质化,加快次生维管组织结构的形成。同时还利用CRISPR/Cas9系统对杨树BELL15基因上两个靶位点的碱基序列进行了成功地编辑。但是基因敲除杨树并没有表现出明显的生长变化。这表明该基因可能存在着基因功能的冗余现象。本研究从植物生理特性差异比较开始,利用高通量测序技术,分析基因差异表达模式,结合生理特性构建基因共表达网络,挖掘基因表达与生理性状的相关性。揭示了活跃的维管形成层细胞分裂和扩增活动以及更早的次生维管组织建成将促进杨树茎的径向生长。同时还首次克隆了一个杨树BELL转录因子家族基因PdnBELL15,并初步鉴定其参与维管组织生长发育调控过程中的作用。这些工作将为研究木本植物生长生理性状与基因表达的关系以及揭示林木生长发育分子机制提供了实践经验与理论基础。