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番茄（Solanum lycopersicum）是设施栽培中最重要的蔬菜作物之一,然而生产中常常遭受各种病原菌的侵害,如丁香假单胞菌番茄变种（Pseudomonas syringae pv.tomato DC3000,Pst DC3000）引发的细菌性叶斑病等,往往造成产量品质的下降及其带来的农药过量使用问题,是制约我国设施作物安全高效优质生产的瓶颈问题。国内外研究发现,CO2加富不仅可以提高作物光合作用,也能调控植物抗病性。但是植物如何感应CO2浓度变化从而调控自身抗病性的分子机制尚不清楚。碳酸酐酶（Carbonic anhydrase,CA）是植物中最重要的CO2感应蛋白,催化CO2和HCO3-之间的可逆水合反应,是CO2浓缩机制的关键元件。本文以番茄为研究材料,从基因表达、转录调控、蛋白磷酸化、气孔和激素、转录组分析等方面阐述了番茄βCA3调控CO2加富诱导细菌性叶斑病抗性的作用机制。主要研究结果包括以下几点:1.明确了番茄βCAs在CO2加富诱导细菌性叶斑病抗性中的功能。利用q RT-PCR技术分析发现番茄βCA3基因受CO2加富和Pst DC3000侵染诱导高表达,同时分析模式植物拟南芥和其他两种茄科作物辣椒、烟草中βCAs对CO2加富和Pst DC3000侵染的响应模式并构建系统发育树,发现受CO2加富和Pst DC3000侵染诱导表达上调的βCAs基因位于茄科植物中的同一分支。亚细胞定位分析显示番茄βCA3定位于细胞膜、细胞质和细胞核,而不存在于叶绿体中。通过构建番茄βCA3基因突变和过表达材料发现,和野生型（WT）相比,βca3突变体对细菌性叶斑病更敏感,OE-βCA3则表现为更抗病,CO2加富诱导的细菌性叶斑病抗性在βca3突变体中被显著地抑制。以上结果表明番茄βCA3是CO2加富诱导细菌性叶斑病抗性中的关键因子。2.研究了番茄βCA3在CO2加富和Pst DC3000侵染响应中的转录调控机制。分析βCA3启动子序列,发现4个保守的NAC转录因子识别结合位点。通过分析番茄接种Pst DC3000转录组数据,结合q RT-PCR验证结果显示NAC43在番茄接种Pst DC3000后表达量上调最显著。同时,NAC43表达受CO2加富诱导显著上调。凝胶迁移检测实验、双荧光素酶报告基因检测分析、染色质免疫共沉淀分析结果表明,NAC43可以与βCA3启动子结合并激活βCA3表达。与WT相比,Pst DC3000侵染和CO2加富诱导的βCA3表达上调在nac43突变体中受到显著抑制,但在OE-NAC43材料中βCA3表达显著提高。综上所述,番茄βCA3表达在响应CO2加富和Pst DC3000侵染中受NAC43转录因子转录激活调控。3.研究了番茄βCA3在CO2加富和Pst DC3000侵染响应中的蛋白修饰机制。本文鉴定到一个新的番茄LRR-RLK（Leucine rich-repeat receptor like kinase）基因GRACE1与βCA3存在互作,其表达受CO2加富和病原菌鞭毛蛋白处理诱导显著上调。沉默GRACE1不仅抑制了CO2加富诱导的抗病性,同时显著抑制了过表达βCA3增强的抗病性,尤其是在CO2加富环境中。利用体外磷酸化和液相色谱串联质谱发现GRACE1可以磷酸化βCA3蛋白的Ser-207和Thr-225位点。进一步通过点突变模拟去磷酸化实验,分别在烟草瞬时过表达和番茄βca3突变体回补体系中检测这两个位点的磷酸化在植物免疫中的功能,结果显示βCA3的Ser-207位点的去磷酸化削弱了植物的抗病性,但是Thr-225的去磷酸化对植物抗病性无影响。以上结果表明βCA3依赖GRACE1磷酸化其Ser-207位点增强番茄抗病性。4.明确了番茄βCA3诱导的抗病性与气孔和水杨酸SA抗病途径的关系。βca3突变体和OE-βCA3植株对CO2加富和Pst DC3000侵染诱导气孔关闭的响应,和WT相比无显著差异。利用荧光热漂移试验检测βCA3与SA的结合能力,发现βCA3不是SA的结合蛋白。βca3突变体和OE-βCA3植株在接种Pst DC3000后表现出与WT相同水平的SA含量,SA合成基因ICS、PALs和下游响应基因PRs的表达水平。此外,在WT和βca3突变体中,外源SA都能显著提高番茄抗病性。沉默SA抗病途径的关键因子NIM1（拟南芥NPR1同源基因）不影响过表达βCA3增强番茄抗病性。综上所述,βCA3诱导的番茄细菌性叶斑病抗性机制不依赖气孔和SA抗病途径。5.利用RNA-Seq技术对WT和βca3突变体分别在不同CO2浓度环境中接种Pst DC3000进行转录组分析。结果发现,在不接病情况下与WT相比,βCA3基因缺失并没有引起番茄基因表达普的显著改变,只影响了4.1%基因的表达。在接种Pst DC3000后共有927个基因表达在WT中特异性地显著上调,上述基因经GO分析聚类至21个与生物学相关进程,其中10个与碳水化合物代谢和信号相关,大量基因参与细胞壁代谢过程。在不同CO2环境中接种Pst DC3000后,βca3突变体中细胞壁代谢相关基因纤维素合成酶（CESA）、木葡聚糖内转糖化酶/水解酶（XTH）和聚半乳糖醛酸酶（PG）基因表达均被显著抑制,木质素和纤维素含量显著低于WT。说明,番茄βCA3基因突变导致植物免疫响应中细胞壁相关物质代谢发生变化。综上,番茄βCA3受CO2加富和Pst DC3000侵染诱导表达显著上调,并在CO2加富诱导的植物抗病性中发挥重要功能。βCA3在转录水平受NAC43转录因子激活调控,在蛋白水平受GRACE1磷酸化修饰Ser-207位点激活植物免疫。βCA3介导的抗病途径与气孔和SA抗病途径相互独立,但βCA3基因突变影响了植物免疫响应中细胞壁物质的代谢。为设施栽培产业中利用CO2加富提高作物抗病性奠定理论依据。