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基因中心聯(lián)合深圳基因組所在景天酸代謝途徑光合作用進化研究方面取得新進展
近日，基因中心作物品質(zhì)控制與多組學(xué)技術(shù)創(chuàng)新團隊與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所王麗課題組合作在植物領(lǐng)域國際知名期刊Plant Communications（中科院一區(qū)TOP，IF=8.625）發(fā)表了題為“Diel dynamics of multi-omics in elkhorn fern provides new insights into weak CAM Photosynthesis”的研究論文。基因中心助理研究員黃文潔為該論文的共同第一作者，研究員晏石娟為共同通訊作者。
景天酸代謝（CAM）途徑是一種高水分利用率的光合作用方式。將CAM途徑引入當前的作物中，可以提高作物的水分利用率，能夠減少在高溫和干旱等逆境下作物的產(chǎn)量損失。夜間同化CO2的碳代謝方式和“晝關(guān)夜開”的氣孔開合模式，被認為是CAM途徑的關(guān)鍵步驟。雖然該途徑相關(guān)蛋白編碼基因已研究清楚，但轉(zhuǎn)錄調(diào)控機理一直缺乏系統(tǒng)深入的研究。同時，CAM途徑是從古老的C3光合作用進化而來，且存在出多種CAM類型，包括：strong CAM、weak CAM和CAM cycling。不同植物譜系CAM植物經(jīng)歷了趨同進化，而其潛在的分子機制尚不清楚。
圖1CAM途徑CO2同化和二歧鹿角蕨形態(tài)特征
前人通常將CAM和C3植物進行比較，嘗試通過以C3光合作用作為對照，解析CAM途徑遺傳機制，這種在不同物種的遺傳背景下，比較CAM和C3在分子調(diào)控水平上的差異，混淆了植物間的進化距離和CAM途徑本身的差異（Abraham et al., 2016; Heyduk et al., 2016; Heyduk et al., 2019; Heyduk et al., 2021）。該合作研究利用蕨類植物二歧鹿角蕨（Platycerium bifurcatum (Cav.) C. Chr.）的營養(yǎng)葉和孢子葉分別通過weak CAM和C3途徑進行光合作用的特點（圖1），運用多組學(xué)技術(shù)手段，對營養(yǎng)葉和孢子葉進行時序的初生代謝組、蛋白組和轉(zhuǎn)錄組分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，在同一遺傳背景下，CAM和C3途徑在代謝水平上，既受到晝夜差異的影響，也受組織差異的影響。同時，首次提出生物體主要能量供應(yīng)的途徑-TCA循環(huán)在營養(yǎng)葉和孢子葉的晝夜差異可能對CAM途徑的進化起關(guān)鍵作用（圖2）。研究成果為CAM途徑的進化機制提供了新的見解，為CAM途徑的生物工程化提供了科學(xué)基礎(chǔ)。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346223001050?via%3Dihub
圖2二歧鹿角蕨TCA循環(huán)晝夜模式
