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光呼吸是C3植物中仅次于光合作用的第二大代谢流,正常条件下C3植物的光呼吸可损失光合产物的20-30%。毫无疑问,光呼吸限制了植物的光能利用效率,最终影响作物产量。然而,大量的研究表明,清除或调节光呼吸代谢途径,均未能有效提高植物的光合作用,反而造成光合速率下降或者致死,这表明光呼吸不仅仅只与光合相关,对植物的生存也有重要的生物学意义。目前已知光呼吸与氮的同化、呼吸作用、氨基酸代谢、一碳代谢和氧化还原信号等代谢过程密切相关。通过筛选光呼吸突变体,挖掘光呼吸代谢调控新基因,将有助于进一步解析光呼吸与其他代谢途径之间的相互调节关系。本研究以模式植物拟南芥的Columbia(Col-0)生态型为实验材料,通过EMS诱变构建突变体库,利用光呼吸突变体在正常大气条件下出现黄化、矮小或致死,而在高CO2条件下正常生长的表型进行光呼吸突变体筛选。筛选出突变体命名为pr1(Photorespiration related 1),对突变体进行了生理、分子和遗传学的分析,研究结果如下:1.表型生理分析:在正常大气条件下,突变体pr1同野生型(Col-0)相比植株矮小,叶片颜色发黄,而在高CO2条件下两者差别较小。正常大气条件下突变体pr1甘氨酸含量显著高于Col-0。2.基因定位:突变体pr1与Landsberg erecta(Ler)生态型拟南芥杂交,利用F2代植株进行图位克隆,确定其基因定位区间位于第4条染色体17.97 Mb附近。通过对pr1全基因组测序分析,确定其突变基因座位号为AT4G38380,编码多药和有毒化合物排出家族蛋白(Multidrug and toxic compound extrusion,MATE),本研究中暂命名为MATE1蛋白。3.互补实验:构建载体proMATE1::MATE1-Flag转化pr1,转化株系在大气生长条件下,叶片颜色、植株形态等均恢复正常。4.组织表达:构建载体proMATE1::GUS转化Col-0,对转化株系GUS染色分析表明MATE1主要在新叶、茎分生组织、根、花药、果荚中。Real-time PCR检测发现强光处理4h后MATE1表达含量急剧上升。5.亚细胞定位:构建35S::MATE1-GFP转化Col-0原生质体,对GFP荧光分析将MATE1定位于叶绿体膜上。6.筛选mate1的T-DNA插入突变体(CS300818),命名为mate1-1,mate1-1植株具有矮小、叶片卷曲,基本不结实的表型。7.构建35S::MATE1转化Col-0,转化株系与Col-0相比其生物量明显增加。综上所述,本研究工作筛选了光呼吸突变体pr1,图位克隆、全基因组测序分析和基因互补实验表明突变基因为MATE1,MATE1定位在叶绿体膜上,其T-DNA突变体mate1-1有明显的发育缺陷,过量表达MATE1增加了生物量。MATE1影响光呼吸的作用机理仍有待进一步研究。