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细胞的增殖、扩张与分化是植物生长发育的重要细胞学基础。这一系列细胞学事件与细胞壁代谢之间有着密切的联系。果胶作为双子叶植物初生细胞壁的主要组分,其合成、修饰与降解代谢通过影响细胞壁的流动性和可延展性,参与着植物生长发育的众多环节。因此,研究果胶代谢有助于明确细胞壁在植物生长发育历程中的作用,同时为农作物重要经济性状和育性的精准调控提供理论依据。现有研究表明多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase,PG）是参与果胶降解代谢的重要水解酶,其编码基因在物种进化过程中迅速扩张,并在双子叶植物中形成了庞大的基因家族。近年的研究基于对PG基因家族演化和表达模式的分析,提出了PG重复拷贝可能的保留机制,但仍缺乏生物学功能方面的证据支持。目前,仅有少数植物PG基因完成了功能鉴定。已有的研究结果表明PG基因参与了叶片扩张、果实成熟、器官脱落等众多环节,其作用与细胞扩张和细胞分离关系密切。然而,PG基因在器官形态建构方面扮演了怎样的角色,涉及了哪些细胞学事件,对植株组织器官水平的果胶降解以及内源寡聚糖的积累有着怎样的影响等问题都尚未明确。此外,果胶代谢也参与了花粉壁这类特殊且复杂的细胞壁的发育。PG基因参与了花粉内壁发育以及后期的花粉管伸长过程,但对其在花粉外壁建构中的作用研究非常有限。本实验室早期在白菜（Brassica campestris ssp.chinensis Makino,syn.B.rapa ssp.chinensis）中鉴定出了一个参与花粉壁发育和花粉管伸长的PG基因,而后期基于白菜基因组的系统发生分析表明,该基因在白菜中具有5个重复拷贝BrPG45-1～BrPG45-5,且其中三个拷贝在白菜核不育两用系雄蕊中差异表达。为更新对白菜PG45生物学功能的认识并探讨重复拷贝的保留机制,本研究首先进行了PG45的起源及其在芸薹属物种中的演化分析,并基于对5个重复拷贝的表达模式和生物学功能的研究,进一步讨论了PG重复拷贝的保留机制。鉴于白菜和拟南芥在进化上亲缘关系较近,且在拟南芥中仅有单个直系同源拷贝的优势。本研究对AtPG45表达模式和生物学功能进行了研究。在此基础上对AtPG45在细胞学事件以及植物组织器官中果胶降解代谢的影响进行分析,以期明确PG45的作用机理。主要研究结果和结论如下:（1）通过构建包含有31个物种PG基因的最大似然法系统发生树对PG45进行演化分析,发现PG45起源于双子叶植物共同祖先。该基因在3个芸薹属代表物种中进化保守且形成了多个重复拷贝。通过q RT-PCR对白菜和拟南芥PG45的表达分析,发现BrPG45的5个重复拷贝均在发育后期的雄蕊中优势表达,且在白菜核不育两用系雄蕊中差异表达;AtPG45除在花序中优势表达,还在叶片等多个组织器官中表达。根据启动子GUS活性的分析,发现白菜和拟南芥PG45在单核小孢子和双核花粒时期的绒毡层,双核和三核花粉时期的花粉粒中表达。白菜PG45的5个重复拷贝表现出了一致的时空表达模式;拟南芥PG45在茎尖生长点、莲座叶的叶腋等分生组织中也检测到了较高的表达。在洋葱表皮和拟南芥根部表皮细胞中进行的亚细胞定位分析表明,白菜和拟南芥PG45都是可在细胞膜外表达的分泌蛋白。（2）利用芜菁黄花花叶病毒介导的基因表达沉默技术同时抑制BrPG45-1～BrPG45-5在菜心中的表达时,约26.1%的成熟花粉粒异常粘连,并伴随有花粉萌发率降低至野生型对照的44.4%,但不影响营养生长和花器官形态。透射电镜与苯胺蓝染色等技术对花粉发育过程的分析表明,BrPG45的表达抑制会造成花粉外壁结构的异常,其可能通过影响孢粉素沉积来调控花粉外壁顶盖和基粒棒的结构。花粉粘连的表型与含油层物质过度积累有关,而与胼胝质壁的降解无关。根据对BrPG45-1、BrPG45-3和BrPG45-5异源表达拟南芥的表型观察,发现各拷贝异源表达的拟南芥都出现了花粉粘连、花粉活力降低的表型,说明BrPG45拷贝之间存在功能冗余,可能通过剂量效应保留。（3）对AtPG45突变体和过表达材料生长发育的表型分析,发现AtPG45的异常表达会抑制下胚轴和花茎伸长。突变体atpg45和AtPG45过表达植株的开放花中,81.0%和16.8%出现了雄蕊数量减少的情况。互补实验结果表明,转化互补载体可以恢复突变体atpg45中观察到的表型。对侧生器官发育的观察分析,AtPG45的异常表达会造成莲座叶卷曲,使叶片纵向曲度显著提升至野生型中的2倍。此外,AtPG45的表达沉默会引起侧枝数量增加至野生型的3.3倍,并通过影响花原基和花器官原基的建构导致开放花的四轮花器官出现高比例的形态异常;AtPG45的过表达会导致叶片宽度的过度生长,伴随有叶片表面积的增大和叶片长宽比的减小。对AtPG45突变体和过表达材料的表型分析,表明AtPG45主要参与了器官的伸长与扩张,以及侧生器官的形态建构,即与白菜PG45出现了生物学功能上的分化。（4）通过测定大肠杆菌中诱导表达的His-SUMO-AtPG45的蛋白活性,明确了AtPG45具有PG水解酶活性。白菜和拟南芥PG45在PG功能域序列上具有保守型,暗示了白菜PG45也通过降解果胶来执行其生物学功能。此外,AtPG45的表达沉默可显著降低叶片中的PG总活性与细胞壁果胶的含量。通过对拟南芥叶片纵切结构和细胞形态的分析,发现叶肉细胞在栅栏组织和海绵组织中的排列和形态在AtPG45突变体和过表达叶片中出现了异常,进而明确了AtPG45表达异常引起的叶片卷曲与叶片近轴端-远轴端极性有关。利用带有微管结合蛋白标记GFP-MAP4的野生型和突变体atpg45材料,分析了叶片上下表皮的细胞增殖和细胞扩张情况。结果表明,AtPG45的表达沉默会引起上表皮细胞增殖时期缩短至下表皮增殖时期的48.0%,而细胞相对扩张速率不受影响。免疫荧光标记对果胶分布的分析表明,AtPG45在叶片极性建构中的作用与甲基甲酯化果胶在叶片中的分布无关。高效排阻色谱-质谱法对于拟南芥叶片内源寡聚糖的分析发现,在聚合度2～7范围内,AtPG45的表达沉默会引起高聚合度寡聚糖的积累,而AtPG45的过表达则会促进小片段寡聚糖的产生。此外,AtPG45的异常表达均导致聚合度8～15的寡聚糖的占比降低。因此,AtPG45在叶片发育过程中的作用可能与其对内源寡聚糖组成的影响有关。综上所述,AtPG45通过影响植物组织器官中的果胶降解,参与了细胞增殖、细胞形态建构等事件,进而作用于组织器官的形态建构过程。