Science Advances | 耶鲁大学解析了马齿苋如何在空间上整合C4和景天酸代谢两种光合代谢系统

2022年8月5日，耶鲁大学生态与进化生物学系Erika J. Edwards 团队在Science Advances发表题为“Spatial resolution of an integrated C4+CAM photosynthetic metabolism”的研究论文。本研究通过比较水分充足和干旱胁迫诱导情况下的马齿苋（P. oleracea）中空间维度上的基因表达情况，并利用代谢建模的最新方法揭示了一种以前未知的植物光合作用类型：一种整合C4和景天酸代谢（CAM）的光合作用代谢途径。

DOI: 10.1126/sciadv.abn2349

在高等植物中，光合碳同化途径主要有三种类型：C3途径、C4途径和景天酸代谢途径。C4途径和CAM途径最明显的特征是具有碳浓缩机制（carbon concentration mechanisms，CCM），该机制有助于植物适应低浓度CO2以及干旱胁迫的环境。马齿苋植物既含有C4途径，也具有CAM途径。在C4代谢中，磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPC)首先与叶肉细胞中的CO2相互作用，形成一个四碳分子，然后转移到维管束鞘细胞被脱羧。在CAM中，气孔打开并通过PEPC固定CO2，该过程在夜间发生。马齿苋PEPC由多个基因编码，其中一个拷贝PPC-1E1a'参与C4过程，而另一个拷贝PPC-1E1c参与CAM途径。先前的研究虽然确定了马齿苋中与C4和CAM相关的候选酶，但是这两种途径如何在马齿苋叶的不同空间组织中发挥作用仍然未知。

研究者首先使用可滴定酸度分析，检测了在充足水分条件下及干旱胁迫下，马齿苋叶子中酸的积累情况。浇水充足情况下，CAM活性很少；经过7天的干旱处理，叶子中可检测到明显酸的积累，确认CAM的发生（图1，A）。

为了明确细胞特异性基因表达情况，研究者使用激光显微切割技术获得叶肉细胞和维管束鞘细胞，并进行全转录组基因表达分析（图1）。数据分析显示，在光照情况下，CCM相关基因占据了叶肉细胞差异表达基因的10.97% ；占据维管束鞘细胞差异表达基因的12.18%（图2A）。平均来说，CCM相关基因占据了黑暗条件下差异表达基因的5.20%，占光照条件下差异表达基因的11.62%。对所有基因进行分析，显示差异表达基因的数量在光照和黑暗条件下最多，其次是在不同细胞类型和不同水含量的情况下（图2B）。

研究者对差异表达基因进行了注释。分析发现，在水分充足或干旱的植物中，包含碳酸酐酶、PPC-1E1a'和天冬氨酸氨基转移酶( ASPAT-3C1 )的初始C4碳固定过程发生在叶肉细胞中。C4代谢物进行脱羧以及卡尔文循环发生在维管束细胞中。当CAM被诱导时，碳酸酐酶、PPC-1E1c等物质在叶肉细胞中的含量明显增加。液泡膜和叶绿体糖转运蛋白在维管束鞘细胞中表现出最高的表达特异性（图3），表明CAM的卡尔文循环发生的场所为维管束鞘细胞。以上数据分析显示，马齿苋具有整合的C4 +CAM的光合作用途径，其中最初的C4和CAM碳固定发生在叶肉细胞中，脱羧和最终的CO2同化限于维管束鞘细胞中。

为了确认激光显微切割结果，研究者使用10x Genomics Visium空间转录组学平台直接在叶皮下切片并空间标记mRNA。Visium分析证实了水分充足的样品中几乎没有CAM PPC-1E1c的表达。干旱样品中C4和CAM PEPC同源物丰度出现昼夜交替的现象。C4和CAM PEPC旁系同源物大多局限于叶肉细胞，脱羧基因和羧化加氧酶基因局限于维管束鞘细胞。

为了进一步探究C4和CAM如何整合，研究者建立了一个植物核心代谢模型。该模型包括所有主要的代谢酶和反应，这些酶和反应在植物基因组中高度保守，并代表了一个“核心”化学计量模型，可用来分析叶子中的碳代谢情况。该模型结合了通量平衡分析(FBA)来测试C4和CAM运作的最有效的生化途径，并将结果与观察到的转录丰度关联起来。结果显示，代谢模型中主要反应的预测结果与差异基因表达情况基本一致。在水分充足的条件下，通量平衡模型预测了C4光合作用途径，在维管束鞘中有少量CAM循环；在干旱条件下，该模型预测了C4+CAM途径的出现（图4）。

综上所述，该研究通过分析基因在马齿苋叶不同空间的表达情况，表明C4和CAM系统完全整合在马齿苋中。CAM和C4碳固定发生在相同的细胞中，暗示着CAM产生的代谢物可能直接整合到C4循环过程中。通量平衡分析证实了差异基因表达的发现。C4+CAM光合代谢通路在特定叶片细胞的发生，为作物改良提供了新的思路。

转自：植物科学SCI

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