2023年10月23日，植物學(xué)期刊New Phytologist在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王鵬研究組題為“Regulatory NADH dehydrogenase-like complex optimizes C₄ photosynthetic carbon flow and cellular redox in maize”的研究論文。該研究揭示了玉米維管束鞘細(xì)胞中NDH復(fù)合體介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞途徑在調(diào)節(jié)C₄光合碳代謝過程和細(xì)胞氧化還原狀態(tài)方面的重要作用，為解析C₄光合引擎的高效運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制提供了新的見解。

　　光合作用是植物與環(huán)境間重要的物質(zhì)和能量交換過程。C₄植物玉米是高效能光合作用的代表，其葉片具有典型的“花環(huán)狀結(jié)構(gòu)”（Kranz anatomy）和CO₂濃縮機(jī)制（CCM）。相對于C₃植物水稻，C₄植物玉米葉片維管束鞘(BS)細(xì)胞和葉肉(M)細(xì)胞分別含有呈現(xiàn)不同超微結(jié)構(gòu)的葉綠體和特異分布的代謝酶，CO₂能夠通過M細(xì)胞中蘋果酸、天冬氨酸等的合成，被轉(zhuǎn)運(yùn)并濃縮在BS細(xì)胞中的Rubisco周圍，實(shí)現(xiàn)對CO₂的高效同化，從而提高光合效率。

　　高等植物中存在依次經(jīng)由光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I的線性光合電子傳遞途徑，和圍繞光系統(tǒng)I的環(huán)式電子傳遞途徑。目前已知的環(huán)式電子傳遞途徑由葉綠體NADH脫氫酶-like復(fù)合體(NDH)或質(zhì)子梯度調(diào)節(jié)蛋白PGR5和PGRL1介導(dǎo)。不同于M細(xì)胞葉綠體中大量垛疊的富含光系統(tǒng)II(PSII)的基粒類囊體，玉米BS細(xì)胞葉綠體中類囊體呈現(xiàn)非垛疊化狀態(tài)，富含光系統(tǒng)I(PSI)。NDH復(fù)合體與光系統(tǒng)I相結(jié)合，特異性地分布于非垛疊類囊體區(qū)域，通過介導(dǎo)環(huán)式電子傳遞，能夠驅(qū)動ATP的合成。有研究指出NDH在C₄植物中的含量大于C₃植物，且在NADP-蘋果酸酶類型C₄植物（如玉米）的BS細(xì)胞中含量大于M細(xì)胞，但其在多大程度上參與CO₂濃縮機(jī)制,缺乏相應(yīng)突變體進(jìn)行系統(tǒng)分析和實(shí)驗(yàn)研究。

　　本研究利用基因編輯技術(shù)在玉米和水稻中分別獲得NDF6和NDHU亞基功能缺失的突變體。水稻osndf6、osndhu突變體與野生型ZH11相比，生長表型、光合生理參數(shù)、光合代謝產(chǎn)物等均沒有特殊的變化。但是，與野生型KN5585相比, 玉米zmndf6與zmndhu突變體植株生長均明顯受到抑制，光合作用相關(guān)蛋白含量呈現(xiàn)不同程度減少，光合電子傳遞速率、CO₂同化速率等光合生理指標(biāo)顯著降低。玉米zmndf6突變體葉片中BS細(xì)胞葉綠體的超微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)異常狀態(tài)，活性氧的積累明顯多于野生型。轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果顯示，玉米ndh突變體中環(huán)式電子傳遞、卡爾文循環(huán)和光呼吸相關(guān)的基因表達(dá)多數(shù)上調(diào)，其中位于玉米BS細(xì)胞中的C₄代謝酶NADP-蘋果酸酶(ME),RbcS1和RbcL1在突變體中的轉(zhuǎn)錄水平顯著上升。光合作用相關(guān)代謝物分析顯示，玉米ndh突變體中蘋果酸、1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)、果糖1,6-二磷酸(FBP)和光呼吸相關(guān)代謝物積累水平呈增加趨勢，伴隨NADPH:NADP比值的升高。

　　為了實(shí)現(xiàn)C₄途徑中卡爾文循環(huán)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，必須動態(tài)平衡物質(zhì)和能量代謝，NDH復(fù)合體介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞途徑對NADPH和ATP的調(diào)節(jié)，可能在其中發(fā)揮作用。而在細(xì)胞環(huán)境相對特殊的C₄植物BS細(xì)胞中，這種調(diào)節(jié)作用的連續(xù)性和必要性更加凸顯出來。綜合研究結(jié)果，我們認(rèn)為NDH-環(huán)式電子傳遞途徑通過優(yōu)化NADPH和蘋果酸通量，可以平衡玉米BS細(xì)胞的代謝和氧化還原狀態(tài)，協(xié)調(diào)C₄光合基因表達(dá)和蛋白質(zhì)含量，從而直接影響玉米雙細(xì)胞C₄系統(tǒng)的碳流運(yùn)轉(zhuǎn)。我們的研究促進(jìn)了對NDH復(fù)合體在玉米BS細(xì)胞中功能的理解，為環(huán)式電子傳遞途徑參與C₄植物CO₂濃縮機(jī)制提供了進(jìn)一步支持，并將為借鑒C₄途徑對C₃光合作用進(jìn)行遺傳改造提供調(diào)控機(jī)制方面的啟發(fā)。

　　中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生張琪琪為該論文第一作者,王鵬研究員為通訊作者。分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生田世龍、唐啟鳴，陳根云研究員，朱新廣研究員，以及英國謝菲爾德大學(xué)Andrew J. Fleming教授參與了本項(xiàng)工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）和英國皇家學(xué)會牛頓基金交流項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接：http://doi.org/10.1111/nph.19332

玉米zmndf6和zmndhu突變體的生長表型

NDH介導(dǎo)的環(huán)式電子傳遞在玉米C₄光合作用中的意義概述