Dendrobium, one of the three largest genera in the Orchidaceae, is famous for their higher ornamental and medicinal value. In our previous research, we found not only obligate CAM and C3/CAM intermediate but obligate C3 plant all exist in the genus Dendrobium. CAM represents higher carbon-concentrating mechanisms than C3 photosynthesis for a warmer and drier environmental. CAM type PEPC gene (one member of PEPC gene family) play a key role in the switch from C3-photosynthesis to CAM, but the molecular mechanism required for the C3/CAM switches remain unclear on. In this proposal, based on our cloning and cDNA sequence analysis of three type PEPC isoforms, obligate C3, C3/CAM intermediate (or facultative) and obligate CAM plant of Dendrobium will be selected as materials, CAM-PEPC isoforms will be identified by comparing spatiotemporal expression patterns under natural and stressed conditions. Also, functional characterization of CAM-PEPC is used to confirm the function of CAM-PEPC in vitro, mutation sites, enzyme kinetics and combined with genetic engineering by overexpression of CAM-PEPC in Arabidopsis thaliana and silencing of CAM-PEPC in Dendrobium species under control of the EβFS promoter. We expect the results not only explore the molecular mechanisms of CAM-PEPC in regulating the photosynthesis C3/CAM shift of Dendrobium species, and contribute to lay the foundation for CAM-into- C3 engineering in the future.
石斛属(Dendrobium)乃兰科三大属之一,大都具有较高的观赏价值或药用价值。在前期工作中,我们发现石斛属同时含有专性C3、C3/CAM中间型和专性CAM三类植物。干旱环境下,CAM途径具有比C3途径更有竞争力的碳浓缩机制,在C3/CAM转换过程中,CAM型PEPC基因起到关键调节作用,然而相关分子机理并不明确。本研究拟在前期对三类PEPC基因亚型克隆和序列分析基础上,以C3、C3/CAM中间型和专性CAM石斛兰为材料,通过研究自然和胁迫状态下时空表达模式,鉴定调控CAM途径的CAM型PEPC基因;通过原核表达、氨基酸位点突变、酶动力学并结合拟南芥转基因超表达和石斛兰基因沉默后表达,明确基因功能。研究结果不仅对揭示石斛属植物中CAM型PEPC基因参与光合碳同化C3/CAM代谢转换的分子机理提供依据,同时也为今后把CAM途径转移到C3植物而提高植物在干旱胁迫下光合能力而奠定基础。
石斛属(Dendrobium)乃兰科三大属之一,大都具有较高的观赏价值或药用价值。在前期工作中,我们发现石斛属同时含有专性C3、C3/CAM中间型和专性CAM三类植物。干旱环境下,CAM途径具有比C3途径更有竞争力的碳浓缩机制,在C3/CAM转换过程中,CAM型PEPC基因起到关键调节作用,然而相关分子机理并不明确。本研究拟在前期对三类PEPC基因亚型克隆和序列分析基础上,以C3、C3/CAM中间型和专性CAM石斛兰为材料,分析自然和胁迫状态下三类PEPC基因异构体的表达差异,分析序列特征及功能,鉴定调控CAM途径的CAM型PEPC基因;结合烟草转基因超表达和铁皮石斛基因沉默后表达,分析基因功能。结果表明,(1)不同类型植物三类PEPC基因的表达模式不同:对照和干旱胁迫后,专性C3类流苏石斛的PpcA、PpcB和PpcC三类PEPC基因相对表达量均较低;专性CAM类美花石斛PpcA和PpcC三类PEPC基因相对表达量均远高于专性C3类流苏石斛的表达量;干旱胁迫能诱导C3/CAM中间型铁皮石斛两类CAM型PEPC基因的表达量明显升高。(2)结合基因表达、序列分析,以及与已明确具有CAM功能的香荚兰PEPC基因等比较,认为石斛属植物至少PPCA类CAM型PEPC基因具有诱导C3/CAM转换的功能,而PPCB也可能具有调节作用。(3)分别获得烟草转PPCA类CAM型PEPC基因超表达和该基因位点突变表达载体的抗性植株;C3/CAM中间型铁皮石斛转沉默载体和专性CAM植物秋石斛转超表达载体未获得抗性植株。(4)建立了铁皮石斛等多种石斛的再生体系;探索了铁皮石斛和秋石斛的转化CAM型PEPC基因的体系。研究结果不仅对揭示石斛属植物中CAM型PEPC基因参与光合碳同化C3/CAM代谢转换的分子机理提供依据,同时也为今后把CAM途径转移到C3植物而提高植物在干旱胁迫下光合能力而奠定基础。
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数据更新时间:2023-05-31
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