利用ZmGlk1基因沉默植株研究玉米维管束鞘细胞叶绿体的分化

我们在前期的研究中发现，ZmGlk1基因的沉默导致叶片维管束鞘细胞中不出现叶绿体的生发和分化，而前人在研究其同源基因ZmG2突变体golden2时发现，该突变体叶片维管束鞘细胞叶绿体的分化虽然受到阻碍，但是叶绿体的生发却基本不受影响。说明ZmGlk1和ZmG2在调控维管束鞘细胞叶绿体分化时可能存在先后顺序。基于以上结果，本研究利用前期获得的玉米ZmGlk1基因沉默株系，通过比较分析其在光照和暗处理条件下发芽后，不同发育时期叶片不同部位中叶绿体的分化程度,C4特征基因的表达情况、成熟叶片中不同区域叶绿体的生发和分化，以及C4途径光合作用功能基因的表达变化，从而进一步深入研究ZmGlk1基因调控玉米叶片细胞叶绿体生发和分化的遗传机理，特别是对叶片维管束鞘细胞叶绿体的生发和分化的调控。同时阐明受ZmGlk1调控的C4途径功能基因及其表达模式的变化规律。

自从1998年玉米Golden2基因被克隆以及2001年对该基因的功能进行验证，同时玉米ZmGlk1基因被发现，对玉米C4光合作用途径的研究由对C4途径功能基因的研究转向了对C4途径调控机制的研究。对C4途径调控机制的研究主要集中在研究影响玉米C4途径细胞学结构变化的突变体上。由于在自然界中暂未发现玉米ZmGlk1基因的天然突变体，本项目的前期研究是利用RNAi技术，创建了玉米ZmGlk1的RNAi载体和转基因突变体。该突变体的表型为叶片出现浅绿色，其显微结构上的表型为维管束鞘细胞的叶绿体生发和发育出现障碍，而叶肉细胞叶绿体在结构上却未受影响。本项目是通过电镜观察该突变体不同发育阶段叶片的叶绿体显微结构变化来研究ZmGlk1基因对维管束鞘细胞叶绿体生发和发育的影响，以及该基因的突变对C4光合途径功能基因表达的影响，揭示ZmGlk基因家族调控玉米叶绿体分化和C4光合途径形成的遗传机制。本项目的研究结果显示，在突变体的成熟叶片中，玉米C4途径的功能基因pepc、ppdk、mdh、ssu1、ssu2和me的表达水平基本未受到影响，并且调控叶绿体发育的golden2基因的表达水平也变化不明显，只有影响RbcsL表达的bsd2基因表达水平明显下降，该结果说明，ZmGlk的调控水平位于golden2基因的下游，位于bsd2基因的上游，并且不对pepc、ppdk、mdh、ssu1、ssu2和me等C4途径功能基因的表达进行调控。本研究为玉米维管束鞘细胞叶绿体的发育调控途径找到了新的调控元件。