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植物光合作用是把太阳能转换为化学能的反应,它是作物产量最重要的决定因素之一,作物中大约90%的干重直接来源于光合作用。众所周知,C4植物的光合效率明显高于C3植物,通过对C4植物光合作用关键酶基因改造并引入C3植物,从而提高其光合效率,在农业领域具有广阔的应用前景。玉米(Zea mays L)是典型的C4作物,具有较高的光合效率。丙酮酸磷酸双激酶(Pyruvate orthophosphate dikinase,PPDK)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PCK)作为C4植物光合作用关键酶,在C4光合作用过程中具有重要作用。因此,本研究一方面分析PPDKs和PCKs基因在玉米中的表达模式及其与组蛋白修饰的关系;另一方面,利用ppdk突变体,对PPDK的在玉米幼苗叶绿体发育中的可能功能进行了进一步研究。 在玉米基因组中有三个PPDK基因和两个PCK基因,它们的表达具有组织特异性,除了CyPPDK2主要在种子中表达外,其余四个基因都主要在叶片中表达。PPDK和PCK的这种组织特异性表达模式与组蛋白修饰相关。在光合组织茎和叶中,PPDKs和PCKsC4基因启动子上,H3K9me2在叶片中的富集水平低于其在茎中的富集水平;H4K5ac在叶片中的富集水平高于其在茎中的富集水平。在C4基因(C4PPDK和PCK1)的启动子上,H3K9ac在叶片中的富集水平高于其在根、茎、叶和25DAP种子的富集水平。这一结果暗示,玉米中C4基因在光合组织中的高表达与H3K9ac和H4K5ac正相关,与H3K9me2负相关。基于这种调控,在C4植物中C4基因出现新的表达模式与功能,促进植物进化。在同一组织叶或种子中,PPDKs同源基因之间及PCKs同源基因之间表达存在明显差异,其中,在玉米叶片中显著表达的是叶绿体型的PPDK(C4PPDK)和PCK1;而在种子中显著表达的是胞质型PPDK(CyPPDK2)和PCK2。对不同发育时期种子胚和胚乳中PPDKs和PCKs的表达研究发现,C4基因主要在胚中表达,而其non-C4同源基因则主要在胚乳中表达,它们的这种表达差异可能与H3ac修饰呈正相关性。另外,PPDK的表达还受玉米素调控,但这种调控与组蛋白修饰无明显相关性。 另外,对玉米黄叶ppdk突变体研究发现,玉米C4PPDK在玉米叶绿体发育中起重要作用。在玉米ppdk突变体中,叶绿体发育异常,维管束鞘细胞和叶肉细胞内叶绿体数目减少,植株呈现黄化表型。ppdk突变体叶肉细胞内的叶绿体中,叶绿体类囊体膜基质片层松散,叶绿体基粒片层减少,叶绿体类囊体膜蛋白复合体PSⅡ和ATPase量减少,复合体蛋白亚基表达量降低。另外,许多参与暗反应的关键酶表达量也明显降低。C4PPDK对叶绿体发育的影响可能是通过与叶肉细胞类囊体膜蛋白复合体ATPase互作实现,也可能通过与维管束鞘细胞的RuBisCO互作实现的,但具体机制有待进一步研究。 本研究表明,玉米中的PPDK不仅直接参与植物光合作用,而且可间接影响植物叶绿体发育及提高植株非生物胁迫的抗性,因此PPDK基因也能作为一个很好的候选基因应用于提高植物抗性。