绿色植物通过光合作用产生有机物是全球初级产物产生的重要方式。植物分为C3植物、C4植物以及CAM植物。与C3植物相比,C4植物具有CO2补偿点低、光能利用效率高、水分和氮肥利用率高等优势。C4光合途径是从C3光合途径进化而来的,而C4光合途径进化的驱动力是低CO2。改造C3作物例如水稻的光合途径,培育新型C4水稻,提高作物产量,有可能为人类社会带来第二次绿色革命。尽管我们对于C4综合性状的认识正逐步深化,但培育C4水稻的原型仍是一个巨大的挑战。在此我们提出一种新型的植物光合途径改造策略,即把遗传基因工程和进化工程结合起来,首先用遗传基因工程增加C3植物中的某些C4酶,人工构建低CO2突变累积株系,在胁迫环境低CO2中连续培育多代,期望植物在多个水平上转向C4。本实验室前期已经将C4光合途径的关键基因PEPC导入到了C3植物拟南芥中,并筛选出了高PEPC酶活表达的株系。由于C4途径被认为是在一定的胁迫环境中植物为了适应新环境而进行的一种进化策略,而且低CO2浓度是C4光合途径进化的外部驱动力。有机体能够在新的环境和现有条件的适应中保持正常生长平衡,但是胁迫诱导突变可以打破这种平衡,增加生物的突变频率,高的突变频率加速进化以适应胁迫环境。所以实验室将过表达PEPC拟南芥株系种植在低CO2条件下进行累积培育,对每一代植株进行生长生理指标的测量,包括PEPC酶活、植株大小、叶面积、花的大小等。然后对第八代低CO2胁迫突变累积株系进行转录组测序,分析不同株系在转录组水平的变化,探究低浓度CO2胁迫如何影响多代累积株系的转录组的变化及对基因表达的影响。对第八代植株做了基因组重测序来追踪在低CO2胁迫环境下相关的遗传变化,进而研究C4光合途径的进化轨迹。实验内容及结果如下:1、低CO2处理对过表达PEPC拟南芥以及野生型拟南芥的生长状况的影响。在CO2浓度为100 ppm条件下,过表达PEPC拟南芥和野生型拟南芥均较正常条件下相比生长矮小,生长缓慢,PEPC酶活、叶面积、花的长宽均有所下降,但在低CO2环境下过表达PEPC拟南芥比野生型拟南芥的酶比活、叶绿素a与叶绿素b总量高且叶面积和花面积大。2、低CO2浓度条件下野生型拟南芥和过表达PEPC拟南芥的转录组数据结果分析。由测序数据分析得到,植物在光合作用、叶绿体、花器官发育、胁迫应答等方面均有基因差异性表达,且过表达PEPC株系在这些方面的基因比野生型株系表达均上调,这说明过表达PEPC株系在低CO2环境下光合作用增强,且受到的胁迫程度更严重,更多的基因表达上调以适应胁迫环境。3、过表达PEPC拟南芥和野生型拟南芥的基因组重测序数据分析。由测序数据分析得到,过表达PEPC拟南芥和野生型拟南芥在低CO2胁迫环境下的多代生长后均引入了更多突变,且过表达PEPC拟南芥比野生型拟南芥产生更多的突变。本课题建立了低CO2胁迫下快速进化的拟南芥突变累积株系,对比过表达PEPC拟南芥与野生型拟南芥在低CO2胁迫环境下的生长状况,分析了第八代植株（过表达PEPC以及野生型）的转录组水平上的表达差异,并对基因组做了重测序,过表达PEPC积累了更多的突变。为C4基因工程的改造提供了新的思路。