丙酮酸磷酸双激酶对玉米C4光合作用的影响与调控

Pyruvate orthophosphate dikinase (PPDK) is the key and rate-limiting enzyme of C4 photosynthesis. The regulatory network study of this gene and metabolites is very important to reveal the C4 photosynthetic molecular mechanism. This project will perform detailed study on the development of kranz anatomy and chloroplast, the parameters of photosynthesis, the transcriptome of leaf sections, bundle sheath and mesophyll cells, and the changes of metabolites during the maize leaf development using the PPDK mutants and the advanced techniques, e.g. laser capture microdissection and next generation sequencing. Further more, the project will use the system biology approaches to analyze the regulatory mechanisms of PPDK in the C4 photosynthesis, which will provide theoretical foundations and the candidate genes for engineering C3 crops into C4.

丙酮酸磷酸双激酶 （Pyruvate orthophosphate dikinase，PPDK）是C4光合作用的关键酶与限速酶，研究该基因及其代谢物调控网络系统对于揭示C4光合作用的分子机理具有重要意义。本项目将利用已筛选到的玉米PPDK突变体，结合新一代的激光显微切割及测序技术，对其叶片发育过程中花环结构及叶绿体发育的显微结构、叶片的光合指标、叶片，叶肉细胞及维管束鞘细胞转录组，代谢组变化进行详细且深入的研究，利用系统生物学的方法分析PPDK在C4光合中的调控体系,为C3作物的C4改造提供理论基础和候选基因。

磷酸烯醇式丙酮酸双激酶（PPDK）是玉米C4光合的一个关键酶，催化原初CO2固定的受体磷酸烯醇式丙酮酸的再生。尽管玉米PPDK蛋白的生化功能比较清楚，对其表达调控的遗传研究相对较少。本项目利用玉米Mutator及Ac/Ds转座子系统筛选到一系列PPDK功能缺失突变体。这些突变体幼苗致死，即使外源提供浓度高达2%的CO2仍不能挽救玉米幼苗死亡的命运。利用RNA-seq及GC-MS对PPDK突变体转录组及代谢组进行详细分析发现，玉米PPDK功能缺失显著影响了光合作用的C4循环、卡尔文循环及光反应，由此可见PPDK是玉米C4光合所必需。PPDK功能缺失并没有影响玉米叶片花环结构的发育，然而，玉米叶片糖代谢及N代谢相关基因的表达受到显著影响，玉米幼苗启动N循环途径。我们还注意到光强及基因型间存在相互作用，表明PPDK突变体中转录及代谢受到环境及内在生化途径变化的双重影响。