基因中心联合深圳基因组所在景天酸代谢途径光合作用进化研究方面取得新进展
近日，基因中心作物品质控制与多组学技术创新团队与中国农业科学院深圳农业基因组研究所王丽课题组合作在植物领域国际知名期刊Plant Communications（中科院一区TOP，IF=8.625）发表了题为“Diel dynamics of multi-omics in elkhorn fern provides new insights into weak CAM Photosynthesis”的研究论文。基因中心助理研究员黄文洁为该论文的共同第一作者，研究员晏石娟为共同通讯作者。
景天酸代谢（CAM）途径是一种高水分利用率的光合作用方式。将CAM途径引入当前的作物中，可以提高作物的水分利用率，能够减少在高温和干旱等逆境下作物的产量损失。夜间同化CO2的碳代谢方式和“昼关夜开”的气孔开合模式，被认为是CAM途径的关键步骤。虽然该途径相关蛋白编码基因已研究清楚，但转录调控机理一直缺乏系统深入的研究。同时，CAM途径是从古老的C3光合作用进化而来，且存在出多种CAM类型，包括：strong CAM、weak CAM和CAM cycling。不同植物谱系CAM植物经历了趋同进化，而其潜在的分子机制尚不清楚。
图1CAM途径CO2同化和二歧鹿角蕨形态特征
前人通常将CAM和C3植物进行比较，尝试通过以C3光合作用作为对照，解析CAM途径遗传机制，这种在不同物种的遗传背景下，比较CAM和C3在分子调控水平上的差异，混淆了植物间的进化距离和CAM途径本身的差异（Abraham et al., 2016; Heyduk et al., 2016; Heyduk et al., 2019; Heyduk et al., 2021）。该合作研究利用蕨类植物二歧鹿角蕨（Platycerium bifurcatum (Cav.) C. Chr.）的营养叶和孢子叶分别通过weak CAM和C3途径进行光合作用的特点（图1），运用多组学技术手段，对营养叶和孢子叶进行时序的初生代谢组、蛋白组和转录组分析。研究人员发现，在同一遗传背景下，CAM和C3途径在代谢水平上，既受到昼夜差异的影响，也受组织差异的影响。同时，首次提出生物体主要能量供应的途径-TCA循环在营养叶和孢子叶的昼夜差异可能对CAM途径的进化起关键作用（图2）。研究成果为CAM途径的进化机制提供了新的见解，为CAM途径的生物工程化提供了科学基础。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346223001050?via%3Dihub
图2二歧鹿角蕨TCA循环昼夜模式