水生植物黑藻C4光合途径诱导的分子机制

Compared to C3 plants, C4 plants have high photosynthetic ef?ciency, water use efficiency (WUE) and nitrogen use efficiency (NUE) because they have evolved a biochemical CO2-concentrating mechanism to increase the CO2 concentration to levels up to 10-fold atmospheric around RuBisCO in Bundle sheath (BS) cells. Engineering the major staple C3 crops such as wheat and rice to perform C4 photosynthesis will lead to a second Green Revolution to boost yields by 50% using less water and fertilizer.Therefore, it had been one of hot research topics in plant science. First of all, we must understand how the C4 pathway evoled and how it is regulated. Recent reasearches show the earliest C4 grass lineages date to the late-oligocene period when atmospheric CO2 levels dropped to the low levels of recent geological times.The transition of C3 to C4 plant is taken as the nature's green revolution in response to high temperatures and reductions in atmospheric CO2 content around 30-32 million years ago..In this reseach, we use aquatic monocot Hydrilla verticillata that is a facultative C4 plant as the model system. Hydrilla verticillata typically exhibits C3 photosynthetic characteristics, but exhibits an inducible C4 pathway without Kranz anatomy under low CO2. We will take advantage of next-generation sequencing to quantify the differences in the transcriptomes of Hydrilla leaves with varying degrees of C4-associated characteristics at different stages in transition from C3-type to C4-type.It will provide insight into transforming a C3 plant to a single-cell C4 plant. We will also perform bioinformatics analysis of low-CO2 responsive genes in order to identify candidates of the Master Switch gene of the transition from C3 to C4 pathway. We will further define the gene function through Arabidopsis transgenic lines. This will contribute to engineering a two-celled C4 photosynthetic pathway into C3 crops such as wheat and rice..

与C3植物相比，C4植物具有较高的光能、水分和氮素利用效率，因此改造C3作物小麦和水稻的光合途径，培育新型C4小麦和水稻有可能为人类社会带来第二次绿色革命，因而成为当今植物科学研究的热门领域。在被子植物的系统演化过程中，C4植物的出现与地球大气CO2浓度急剧降低相重合，也是一场天然的绿色革命。本研究选择诱导型水生单细胞C4植物黑藻为材料，采用新一代测序技术分析该植物在C3向C4转化不同阶段基因表达谱的改变，明确C3和C4不同状态上除了C4代谢相关酶之外的基因表达差异，为未来单细胞C4植物培育提供新线索及分子设计新策略。同时通过对低CO2应答基因的系统生物学分析，筛选可能与光合途径转变相关的"开关"基因，通过转基因手段验证其功能，为未来双细胞C4植物育种提供基因工具包。

与 C3 植物相比，C4 植物具有较高的光能、水分和氮素利用效率，因此改造 C3 作物小麦和水稻的光合途径,培育新型 C4 小麦和水稻有可能为人类社会带来第二次绿色革命，因而成为当今植物科学研究的热门领域。在被子植物的系统演化过程中，C4 植物的出现与地球大气 CO2 浓度急剧降低相重合，也是一场天然的绿色革命。因此有学者提出低 CO2是C4进化的驱动力。在自然界中，低 CO2 条件下黑藻可由 C3 转化为 C4 光合途径的事实为该假说提供了直接证据。 ..本项目主要包括以下两个部分：.1. 模式植物拟南芥进⾏低CO2处理的转录组分析工作 . 我们选择模式植物拟南芥进行低CO2处理的RNA分离纯化与转录组分析，探索植物对低 CO2 应答反应，此研究得到⼀些非常有意义的结果 ，我们发现生长在低CO2( 100 ppm)条件下的拟南芥具有⼀些类似C4植物的⽣化和超显微特征，比如⽓孔密度增加和开花延迟，还有C4 发育中起到关键作用的调节因⼦表达改变。我们的这部分⼯作给以后的C4研究提供了⼀些线索：在 C4进化过程中，最开始的CO2急剧下降首先强化C3植物中已存在(不占主要作用)的C4特 征，与此同时，DNA双链断裂修复过程引⼊更多突变，加速进化。 . 这部分工作已经发表在2014年7月的The Journal of Experimental Botany。 .2. ⿊藻进⾏低CO2处理的转录组分析工作 . 我们选择诱导型水生单细胞 C4 植物黑藻为材料，采用新一代测序技术分析该植物在 C3 向 C4 转化不同阶段（13个时间点）基因表达谱的改变，我们的结果显示从C3光合向C4光合转化的过程中， 除了 C4 代谢相关酶之外，还有49 个差异表达转录因子, 238 个Unigene发⽣生了改变。. . 我们在低CO2应答基因中筛选了PEPC(C4关键酶中表达改变最⼤的)和 DNA断裂修复⽹络的4个基因(At2g26980,At3g15620, At4g32700,At5g40450)做了进⼀步功能分析。我们正在把C4 型 PEPC 过表达拟南芥转基因株系ZMOP0608与4个基因的四突变体做杂交，旨在培育C4原型的起始株系。