兴安落叶松(Larix gmelinii)属于松科落叶松属,是大兴安岭地区的主要造林树种。由于其材质具有较强的机械性能,可广泛用于制造胶合木材和木质复合材料,因此具有较高的应用价值。尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UGPase)催化葡萄糖-1-磷酸(Glc-1-P)产生尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG),UDPG是植物细胞壁的主要组成物质纤维素和胼胝质合成的前体物质,因此UGPase对植物的生长发育、特别是林木材质形成起决定性作用。前期研究结果证实,兴安落叶松UGPase(LgUGPase)可通过调控植物体内的多糖代谢促进纤维素沉积及细胞壁形成,进而增强转基因植物的营养生长。因此,深入研究该基因的功能,作用机制和表达调控机理具有重要意义。前期研究结果证实,LgUGPase为双拷贝基因,其中pLgUGPase1::GUS在拟南芥幼苗中高效表达,且它的表达受到GA及MeJA的诱导。为了比较分析LgUGPase1/2的表达特性,本研究利用基因组步移的方法克隆了1588 bp LgUGPase2基因的启动子序列,PLANTCARE分析发现,pLgUGPase1/2均含有光、干旱、机械损伤、真菌诱导等顺式作用元件以及生长素、茉莉酸甲酯、乙烯和赤霉素等激素响应元件。转基因拟南芥的GUS组织化学染色表明,pLgUGPase1/2::GUS有不同的表达模式,pLgUGPase1::GUS在拟南芥幼苗的各个组织器官中高效表达,成熟叶片中的表达量略有下降;pLgUGPase2::GUS主要在胚根、胚轴和子叶中表达;pLgUGPase1/2::GUS在花及果荚中均有表达,且它们的表达受GA及MeJA的诱导。为了研究LgUGPase的亚细胞定位,利用农杆菌介导LgUGPase-GFP融合蛋白在烟草下表皮细胞瞬时表达结果显示,LgUGPase-GFP融合蛋白定位于叶绿体中。为了进一步分析LgUGPase的功能,利用atugp1突变体、转化LgUGPase基因的atugp1功能互补株系和超表达LgUGPase转基因拟南芥进行分析结果显示,LgUGPase能够弥补由于AtUGP1突变所导致的生长抑制,其过量表达提高了转基因拟南芥可溶性糖、纤维素和木质素含量,促进了转基因拟南芥的营养生长。为了进一步探究LgUGPase基因促进转基因拟南芥营养生长的作用机制,利用转录组学的方法分析野生型、atugp1突变体及超表达LgUGPase转基因拟南芥的转录组发现,atugp1突变体相比野生型共有3214个基因表达发生改变,超表达LgUGPase基因拟南芥相比野生型共有2970个基因发生改变,差异基因被注释到苯丙烷类生物合成、淀粉和蔗糖代谢、光合作用、碳代谢、植物激素信号转导和植物-病原体相互作用途径。使用酵母双杂交的方法验证根据转录组数据预测的与LgUGPase互作蛋白结果显示,LgUGPase不直接与这些蛋白发生相互作用,因此推测UGPase的催化产物UDPG可能作为一种信号分子,通过调控糖代谢、碳代谢、苯丙烷代谢、植物激素信号转导和植物-病原体相互作用途径,进而参与植物生长发育和逆境适应的调控。本研究结果为解明植物糖代谢调控机理,深入分析LgUGPase的作用机制和分子调控机理奠定了基础,同时为利用LgUGPase进行作物及林木遗传改良提供了理论和实验依据。