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细胞壁是植物细胞重要器官,是地球上数量最多的可再生物质。植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。尽管植物纤维素合酶和纤维素合酶类似基因超家族基因业已发现,然而其生物学功能尚待深入研究。植物细胞壁不仅结构复杂,而且在植物生长发育过程中具有多样化的功能。例如,木质素和黄酮类化合物在陆生植物环境适应中起重要作用。虽然4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)是苯丙烷代谢途径的重要酶,主要调控木质素和类黄酮的生物合成,然而4CL基因的演化过程以及蛋白功能的形成研究相对较少。因此,本研究通过鉴定水稻细胞壁合成相关基因,构建表达调控网络以及研究4CL基因的分子演化模式,旨在深入解析植物细胞壁生物合成分子机理以及在植物生长和发育中的作用。第一章：基于对OsCESA/CSL超基因家族进化以及保守结构域的分析,鉴定了45个水稻纤维素合酶以及纤维素合酶类似基因,并分析了OsCESA/CSL超基因家族的形成原因以及表达模式。通过整合系统演化、表达谱观察以及共表达分析等多种手段,解析了CESA/CSL基因在纤维素合成中的作用以及潜在的功能。第二章：通过系统生物学方法,分析了水稻细胞壁合成与代谢。首先测定了水稻全生育期29个组织的细胞壁结构组成与代谢,再结合相关基因芯片数据构建共表达调控网络模块,建立了模块与各代谢组成之间的关系,故鉴定出分别参与初生壁和次生壁合成的相关模块,以及一些与次生细胞壁修饰和重组显著相关的模块。第三章：分析了被子植物4CL基因家族的演化模式,即4CL基因的正向选择使其获得进一步形成木质素的能力,并证实正向选择是推动其功能分化的主要动力。此外,进一步分析了4CL基因的正向选择发生在单双子叶物种分化之后独立完成的。基于大部分的选择位点位于4CL蛋白的底物结合位点和催化活性位点附近,揭示这些非同义突变可能对其功能分化具有重要影响。