植物细胞壁是植物的重要组成部分,同样对人类的生产发展有重要影响。因此,对于植物细胞壁的研究在农业及其下游产业具有重要作用。植物细胞壁为植株提供了重要的支撑力,同时,植物细胞壁界定了植物细胞的形状,大小和功能。因此,在植物的生长过程中,植物细胞壁经历了持续的组装,重构以及解体过程。植物细胞壁的降解,合成和修饰收到一系列蛋白和酶的共同作用。膨胀素正是这样一种在植物生长发育和生理学过程中起重要作用的蛋白。这种普遍存在与所有植物和部分细菌中的蛋白介导了细胞壁的疏松过程。膨胀素首先在黄瓜中发现,迄今为止的研究发现,膨胀素在植物中表现出不同的生物学功能。膨胀素能够通过减少细胞壁组成多糖的相互粘附来促进细胞壁的延伸,同时,膨胀素也在胞质分裂后细胞壁的重构中起作用,因此,膨胀素在几乎所有的植物生长发育过程中起作用。目前研究普遍认为,膨胀素是通过依赖于环境p H的非酶活的方式介导细胞壁结构的疏松。迄今为止,虽然有很多针对膨胀素的研究,对于烟草膨胀素的研究才刚刚起步。因此,本论文针对烟草膨胀素家族基因主要阐述了以下两个方面的研究:首先,对烟草膨胀素相关基因的基因组学研究及其表达模式分析。我们共鉴定得到了52个烟草膨胀素基因,并将其分为四个亚家族,即36个Nt EXPA,6个Nt EXPB,3个Nt EXLA和7个Nt EXLB。通过构建系统发生树,这52个基因又可以被划分成13个亚群。与其他植物中相同,α-膨胀素亚家族是膨胀素基因中最大的亚家族,而Nt EXLB亚家族其次,这与其他植物中不同。基因结构分析显示,同一个亚家族的基因具有相似的基因结构和蛋白基序。在本研究中,顺式作用元件分析显示一个或一组膨胀素基因可以受到细胞内部和环境的共同调控作用。基因芯片数据分析得到了其中35个膨胀素基因的表达模式。大多数Nt EXPA基因在幼嫩器官中大量表达,与此相反,Nt EXLA和Nt EXLB主要在成熟和衰老的组织中表达,表明这些基因在烟草的不同器官以及烟草发育的不同器官中起作用。另外,基因芯片和实时定量PCR分析揭示了膨胀素基因的时空表达模式,显示烟草膨胀素基因在烟草的整个发育过程起作用,并在一些时期特异表达,说明膨胀素在某些特定的发育阶段对烟草发育产生了直接或间接的影响。本论文的第一部分研究工作为对烟草膨胀素基因功能的研究奠定了坚实的基础。本论文第二部分的研究工作主要集中于对于膨胀素相关基因过表达株系的筛选和鉴定。在本部分研究中,我们通过以上对于膨胀素基因表达的时空模式分析,结合烟草生长的特点,将烟叶中表达的基因作为我们研究的主要目标,确定了以8个膨胀素基因为研究对象。我们构建了相关基因的过表达株系。其中,只有Nt EXPA11的过表达株系表现出表型改变。因此,我们集中研究了Nt EXPA11基因过表达对烟草生长发育的影响。表达模式分析显示,该基因在烟草的茎,花和叶中大量表达,而在根中的表达量最低。该基因的过量表达对烟草株系的生长发育产生了重要影响。与野生型烟草相比,过表达植株的叶子更大,根发育更长,节间伸长明显。过表达植株的叶和根分别增长了0.75和0.5倍。更有趣的是,过表达植株的根系明显比野生型发达。切片观察显示,过表达植株的细胞明显比野生型植株要大。另外,这些过表达株系对盐胁迫和干旱胁迫表现出超出野生型的抗性。但是,对于正常完成整个生活史的过表达植株,虽然其节间长度明显增长,过表达植株通常会比野生型植株的总叶数减少至少3片。总之,这些结果表明对膨胀素基因的遗传操作可以成为改良农作物的一种重要手段。