玉米PEPCK-C4光合碳代谢途径的调控机制研究

Maize is a typical NADP-ME C4 plant. However, recently a PEPCK decarboxylation pathway was found in maize leaves. It is still unclear whether the PEPCK C4 pathway is independent of the NADP-ME pathway or an auxiliary pathway of NADP-ME. The regulatory mechanism underlying the responses of the key enzymes of this pathway to variations in environmental factors such as light and CO2 concentration has not yet been elucidated . In this project, we will study the regulatory mechanism of the PEPCK pathway by using genetic, biochemical, plant physiological, and metanomic methods. The expression of genes that encode NADP-ME and PEPCK will be interfered with using RNAi to verify whether the PEPCK pathway is independent of NADP-ME. The concentrations of malate and Asp in leaves treated with different light intensities and CO2 concentrations will be assayed using a labeled 13C stable isotope. The activity of PEPCK under these conditions will also be assayed. The correlation between the phosphorylation levels of PEPCK and its activity will be analyzed, and kinases that catalyze the phosphorylations in maize PEPCK will be separated. Our findings will help us to better understand the regulatory mechanism of the PEPCK C4 pathway.

玉米是经典的NADP-ME途径的C4植物。研究表明其体内同时还存在PEPCK光合途径。但PEPCK C4途径是独立存在还是仅仅作为NADP-ME途径的辅助途径目前还不清楚。另外，这个途径上的关键酶对光照、CO2等外界环境因素的响应机制等一系列重要的生理生化问题也尚未阐明。而这些问题不仅仅是C4植物光合作用机理的重要科学问题，在生产实践具有重要的指导意义。本项目针对上述科学问题利用遗传学、生物化学、植物生理学、代谢组学等研究方法深入开展玉米PEPCK C4光合作用的机理研究。利用RNAi技术分别干扰编码两条C4途径上的脱羧酶NADP-ME和PEPCK基因的表达，实验证明PEPCK途径是否能独立存在；通过13C稳定同位素标记技术检测两条C4途径稳定C4产物苹果酸和天冬氨酸在不同光强和不同CO2浓度条件下的相对浓度变化；同时检测PEPCK酶活性变化，分析PEPCK磷酸化修饰与酶活性的调节机制。

玉米是世界上产量最大的作物，同时也是我国重要的粮食作物，其产量直接关系着国家粮食安全，在我国国民经济中占有举足轻重的地位。作为经典的 C4 植物，其自身的光合效率具有较大的提升空间。对玉米基础代谢过程及光合碳代谢的研究，能够深入的揭示影响玉米生长发育和最终产量的调控途径，挖掘优良等位基因，为玉米的育种工作提供理论指导。通过分析玉米幼苗不同叶位叶片的比较蛋白组学，我们鉴定到167个差异蛋白，而蛋白水平有较大差异的蛋白（差异>2倍）主要存在于第一、二、三片叶中，GO富集分析发现38%的蛋白参与光合作用。我们的实验结果说明在玉米幼苗生长发育过程，不同叶片通过调控其光合作用相关蛋白而发挥不同的作用。这些实验结果为进一步探索玉米幼苗从异养转化为自养过程中，不同叶片发挥不同功能提供了研究基础。对玉米叶片一个昼夜周期内蛋白组学和磷酸化组学分析发现，玉米叶片在适应昼夜变化时主要通过调节蛋白的翻译后修饰调控其参与生物学过程，蛋白水平发生变化的蛋白仅228个，占总蛋白个数的3.1%。而磷酸化修饰广泛地参与到调节玉米叶片蛋白适应昼夜周期变化的过程中，共鉴定到2428个蛋白上的4981个磷酸化肽段，其中1251个肽段的磷酸化水平显著变化。光合作用的光反应复合体组分以及C4途径的多个关键酶均受到磷酸化修饰，且其水平受光照调控显著变化。ZmPCK是玉米C4途径的关键酶之一，对其功能的研究能够更好的揭示玉米的光合碳代谢过程，阐明C4 途径调控机制及其与NADP-ME途径的协调作用机制，探明两条途径达到最大光合效率的最佳协作模式，对于玉米的育种和栽培均有重要的意义。我们的研究发现，玉米叶片中的ZmPCK1存在多个磷酸化修饰位点，且其磷酸化水平受到光照强度调控而剧烈增加。ZmPCK2与种子的多种氨基酸含量以及类胡萝卜素含量显著相关，也与百粒重等6个产量性状显著相关。同时干扰ZmPCK1和ZmPCK2的表达后，玉米植株呈现发育延迟，矮化的表型。分析转基因植株叶片内转录组学发现，814个基因较野生型上调，2228个基因显著下调。