以黄顶菊属为模型研究C4光合作用的分子进化

C4 photosynthesis (C4) is more efficient than C3 photosynthesis (C3). Engineering the C4 into C3 crops (C4 engineering project) will dramatically increase the yield of crops. One of the crucial issues of C4 engineering project is to uncover the underlying molecular mechanism of C4. The genus Flaveria is an ideal system to study the evolution of C4 in that it contains C3 species, C4 species and various intermediate species (C3-C4 species and C4-like species). Using the genus Flaveria as a model system, this project plan to study molecular mechanism of C4 evolution by integrating C4 related morphological and molecular data. The following works will be conducted: 1) Comprehensively measuring C4 related structure and physiological data in Flaveria species (morphological data); 2) Systemically annotating transcriptome of Flaveria species based on high-depth RNA-Seq sequencing; 3) Identifying genes with specific expression and amino acid changes in Flaveria C4 species linage (molecular data); 4) Identifying C4 related genes, verifying the function of subset of C4 related genes by experiment and elucidating the molecular mechanism of C4 evolution by integrating morphological and molecular data. The success of this project will elucidate the molecular mechanism of C4 evolution and identify the key genes related to C4, and therefore provide an important guidance for C4 engineering project.

C4光合作用 （C4） 比 C3光合作用（C3）更高效。把C4机制引入到C3作物中， 即C4改造工程，将会大幅度提高作物产量。研究C4分子机制是目前C4改造工程的关键问题之一。 黄顶菊属涵盖C3物种、C4物种以及丰富的中间型物种（C3-C4物种和C4-like物种），是研究C4分子机制的理想材料。本项目拟以黄顶菊属为模式体系，结合C4相关的表型和分子数据，采用比较生物学和计算生物学的分析方法研究C4的分子进化机制，拟开展以下工作：1）全面获取黄顶菊属C4相关的结构和生理数据（表型数据）；2）深度转录组测序，系统注释黄顶菊属转录组；3）确定黄顶菊属C4物种特异的基因表达和氨基酸序列改变（分子数据）；4）整合表型和分子数据发掘C4相关基因，实验鉴定部分C4相关基因的功能，进而阐明C4的分子进化机制。本项目的顺利实施有望全面揭示C4的分子进化机制，挖掘C4关键基因，为C4改造工程提供指导。

C4光合作用 （C4） 比 C3光合作用（C3）更高效 。把C4机制引入到C3作物中， 即C4改造工程，将会大幅度提高作物产量。研究C4分子机制是目前C4改造工程的关键问题之一。 黄顶菊属涵盖C3物种、C4物种以及丰富的中间型物种（C3-C4物种和C4-like物种），是研究C4分子机制的理想材料。本项目以黄顶菊属为模式体系，构建了C4生理，结构和分子进化图谱，全面展示了C4进化各方面性状的进化特征，表明C4各方面性状是协同进化的。揭示了C4进化的两个关键时期，分别代表C4进化的启动和旁支。另外，基于二代转录组数据，构建了四个物种的全基因组共表达调控网络，预测了调控C4基因的转录因子，为C4的进化和改造提供的新的理论和工具。