摘要: C4植物由C3植物进化而来，相比C3植物，C4植物具有更高的光合、水分及氮利用效率，这与其特化的花环结构、独特的二氧化碳浓缩机制及较低的光呼吸有关。玉米是典型的C4植物，花环结构内层维管束鞘细胞（Bundlesheathcell,BSC）积累大量核酮糖-1,5-二磷... 展开 C4植物由C3植物进化而来，相比C3植物，C4植物具有更高的光合、水分及氮利用效率，这与其特化的花环结构、独特的二氧化碳浓缩机制及较低的光呼吸有关。玉米是典型的C4植物，花环结构内层维管束鞘细胞（Bundlesheathcell,BSC）积累大量核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulosebisphosphatecarboxylaseoxygenase,Rubisco）、苹果酸酶（Malicenzyme,NADP-ME）等C4光合关键酶，而磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（Phosphoenolpyruvatecarboxykinase,PEPC）、丙酮酸磷酸二激酶（Pyruvateorthophosphatedikinase,PPDK）、NAD-苹果酸脱氢酶（NAD-malatedehydrogenase,NAD-MDH）等C4循环关键酶则主要在外层叶肉细胞（Mesophyllcell,MC）中发挥功能。光合酶类在不同类型细胞内的特异性积累和高量表达是造成C4光合独特的CO2浓缩机制的关键。C4光合关键酶类的定位及表达受到严格调控，保证C4光合的高效进行。在C4光合途径中，C4PPDK催化了CO2原初受体磷酸烯醇式丙酮酸PEP的再生。目前，玉米C4PPDK的生化功能研究的比较清楚，但表达调控研究却鲜有报道。利用玉米Mu及Ds转座子，我们构建了多个PPDK功能缺失的等位突变体，并且发现转录因子ZmBBX7和ZmBBX14能够激活C4PPDK的表达。我们期望通过对C4PPDK遗传和调控的研究进一步了解C4光合调控的分子机理，为C3作物向C4作物的转化提供理论依据。本文的主要结果和结论如下： （1）PPDK功能缺失影响了玉米光合和碳氮代谢 PPDK功能缺失导致CO2同化能力降低，玉米幼苗致死，说明PPDK在玉米C4光合作用中发挥重要功能。利用转录组测序以及GC-MS技术，我们探究了玉米中PPDK活性丧失后基因转录以及代谢产物的变化。结果显示：PPDK功能缺失，造成C4循环、卡尔文循环相关酶及光化学组分基因表达下调，玉米叶片的糖代谢及氮代谢紊乱。 （2）ZmBBX7和ZmBBX14结合C4PPDK的启动子并转录激活C4PPDK的表达 酵母单杂筛库结果显示转录因子ZmBBX7和ZmBBX14能够结合C4PPDK的启动子。ZmBBX7和ZmBBX14的ChIP-seq数据显示在C4PPDK的启动子有这两个转录因子的结合峰，结合位点为CCAC。原生质体瞬时转化Dual-Luciferase实验证实ZmBBX7和ZmBBX14能够转录激活C4PPDK的表达。通过截段和突变，我们确定ZmBBX7和ZmBBX14的CCT结构域能结合到C4PPDK的CCAC位点，中间谷氨酰胺区段为其激活结构域。突变体bbx14中，C4PPDK的表达明显被抑制。 （3）ZmBBX7和ZmBBX14互作，激活C4PPDK的表达 通过酵母双杂筛库，我们发现ZmBBX14能够与HY5、STO、STH等参与光形态建成的蛋白互作，也与CBF异源复合体的NF-YB3、NF-YC4互作。其中，HY5抑制BBX14对于C4PPDK的激活，STO、STH促进BBX14对于C4PPDK的激活。另外，ZmBBX7和ZmBBX14相互作用，共同激活C4PPDK的表达。 （4）GARP1结合ZmBBX7和ZmBBX14的启动子并转录激活其表达 GARP1的ChIP-seq结果显示，在ZmBBX7和ZmBBX14的启动子上有GARP1蛋白的结合峰，结合位点为ATCC。通过ZmBBX7和ZmBBX14的启动子截段实验，我们发现GARP1主要结合于启动子的-250bp到-500bp之间。将此区间预测的靶位点进行突变，GARP1对于ZmBBX7和ZmBBX14的激活明显降低。这些结果说明，GARP1能够结合ZmBBX7和ZmBBX14的启动子并转录激活其表达。 （5）ZmBBX14-C4PPDK转录调控通路在C3作物和C4物种间存在差异 通过原生质体的瞬时表达，我们发现玉米ZmBBX7、ZmBBX14和水稻同源基因OsBBX在玉米和水稻原生质体中均能显著激活玉米C4PPDK的表达，少量激活水稻C4-likePPDK的表达。可见，转录因子并非是造成这一调控通路差异的关键因素，C4PPDK的启动子和转录因子所处的环境及互作蛋白起决定性作用。此外，ZmBBX7和ZmBBX14能够显著激活玉米和高粱C4PPDK的表达，对狗尾草和谷子C4PPDK的表达激活较弱，几乎不能激活C3作物水稻和二穗短柄草C4-likePPDK的表达。 收起