水生植物黑藻C4光合途徑誘導的分子機制

《水生植物黑藻C4光合途徑誘導的分子機制》是依託山東師範大學，由李圓圓擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水生植物黑藻C4光合途徑誘導的分子機制
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李圓圓
• 依託單位：山東師範大學

項目摘要

與C3植物相比，C4植物具有較高的光能、水分和氮素利用效率，因此改造C3作物小麥和水稻的光合途徑，培育新型C4小麥和水稻有可能為人類社會帶來第二次綠色革命，因而成為當今植物科學研究的熱門領域。在被子植物的系統演化過程中，C4植物的出現與地球大氣CO2濃度急劇降低相重合，也是一場天然的綠色革命。本研究選擇誘導型水生單細胞C4植物黑藻為材料，採用新一代測序技術分析該植物在C3向C4轉化不同階段基因表達譜的改變，明確C3和C4不同狀態上除了C4代謝相關酶之外的基因表達差異，為未來單細胞C4植物培育提供新線索及分子設計新策略。同時通過對低CO2應答基因的系統生物學分析，篩選可能與光合途徑轉變相關的開關基因，通過轉基因手段驗證其功能，為未來雙細胞C4植物育種提供基因工具包。

結題摘要

與 C3 植物相比，C4 植物具有較高的光能、水分和氮素利用效率，因此改造 C3 作物小麥和水稻的光合途徑,培育新型 C4 小麥和水稻有可能為人類社會帶來第二次綠色革命，因而成為當今植物科學研究的熱門領域。在被子植物的系統演化過程中，C4 植物的出現與地球大氣 CO2 濃度急劇降低相重合，也是一場天然的綠色革命。因此有學者提出低 CO2是C4進化的驅動力。在自然界中，低 CO2 條件下黑藻可由 C3 轉化為 C4 光合途徑的事實為該假說提供了直接證據。 本項目主要包括以下兩個部分： 1. 模式植物擬南芥進⾏低CO2處理的轉錄組分析工作 我們選擇模式植物擬南芥進行低CO2處理的RNA分離純化與轉錄組分析，探索植物對低 CO2 應答反應，此研究得到⼀些非常有意義的結果 ，我們發現生長在低CO2( 100 ppm)條件下的擬南芥具有⼀些類似C4植物的⽣化和超顯微特徵，比如⽓孔密度增加和開花延遲，還有C4 發育中起到關鍵作用的調節因⼦表達改變。我們的這部分⼯作給以後的C4研究提供了⼀些線索：在 C4進化過程中，最開始的CO2急劇下降首先強化C3植物中已存在(不占主要作用)的C4特 征，與此同時，DNA雙鏈斷裂修復過程引⼊更多突變，加速進化。 這部分工作已經發表在2014年7月的The Journal of Experimental Botany。 2. ⿊藻進⾏低CO2處理的轉錄組分析工作 我們選擇誘導型水生單細胞 C4 植物黑藻為材料，採用新一代測序技術分析該植物在 C3 向 C4 轉化不同階段（13個時間點）基因表達譜的改變，我們的結果顯示從C3光合向C4光合轉化的過程中， 除了 C4 代謝相關酶之外，還有49 個差異表達轉錄因子, 238 個Unigene發⽣生了改變。 我們在低CO2應答基因中篩選了PEPC(C4關鍵酶中表達改變最⼤的)和 DNA斷裂修復⽹絡的4個基因(At2g26980,At3g15620, At4g32700,At5g40450)做了進⼀步功能分析。我們正在把C4 型 PEPC 過表達擬南芥轉基因株系ZMOP0608與4個基因的四突變體做雜交，旨在培育C4原型的起始株系。