沉水植物龙舌草无机碳利用策略的研究

Our previous studies showed that Ottelia alismoides is a very special submerged macrophyte which has various inorganic carbon acquisition strategies. In this project, we will measure which inorganic carbon acquisition strategies (C4、CAM and HCO3- utilization) play the leading role in O. alismoides during day and night at different CO2 concentrations; On the basis of above results, leaf microscopic and ultrastructural observation, key enzymes activity of photosynthesis measurement and subcellular localization, photosynthetic rate, δ13C, day and night organic acid metabolism measurement, pH change measurement of the leaf at both sides will make to illustrate physiological and biochemical mechanisms of inorganic carbon acquisition strategies in O. alismoides. Moreover, gene expression mode of key enzyme genes of photosynthesis which closely related to C4、CAM and HCO3- utilization and their localization will make at different time scale and different tissues to illustrate how these genes regulate C4、CAM and HCO3- utilization. From the above study, we want to illustrate how O. alismoides succeed in CO2 concentrating in such a simple structure and the transition mechanism of inorganic carbon acquisition strategies in submerged plant O. alismoides when in different CO2 concentrations and its adaptive significance. This study will provide theoretical basis for the study of inorganic carbon acquisition strategies in higher plants.

我们前期的研究表明龙舌草是一种能够采用多种无机碳利用策略进行光合作用的特殊的沉水植物。本项目拟在前期工作基础上，研究不同CO2浓度下龙舌草昼、夜分别采用何种无机碳利用策略（C4途径、HCO3-利用、CAM途径）来应对水中低浓度CO2的胁迫；在此基础上，通过观测不同CO2浓度下龙舌草叶片解剖结构、光合作用关键酶活性与亚细胞定位、光合速率、δ13C值、昼夜有机酸代谢、叶片极化现象，阐明龙舌草不同无机碳利用策略的生理生化机制；同时，选择与C4途径、CAM途径、HCO3-利用紧密相关的光合作用关键酶基因，通过基因的时空表达分析与组织定位，阐明龙舌草不同无机碳利用策略的分子生物学机制。该研究将揭示不同CO2供应下龙舌草的无机碳利用策略，阐明龙舌草如何在简单的组织结构中实现CO2的浓缩和利用，为高等水生植物无机碳利用策略的研究提供参考。

本项目研究了不同CO2浓度下龙舌草的无机碳利用策略。研究结果表明，龙舌草成熟叶不管是在低浓度CO2还是高浓度CO2下都可进行C4光合途径、CAM途径、HCO3-利用，虽然在低浓度CO2下C4光合关键梅的活性更高，HCO3-利用能力更强。石蜡切片与电镜观察结果表明龙舌草叶片有4层细胞组成，包括上、下表皮细胞、叶肉细胞和气室，没有陆生植物中C4植物的典型花环结构。龙舌草pepc磷酸化结果表明在pepc第15位ser上，白天会有磷酸化，夜晚脱磷酸化。利用龙舌草原生质体，用荧光蛋白做分子定位，进行了光合作用关键酶的亚细胞定位，发现PEPC定位在细胞质，NAD-ME定位在叶绿体中，这与通常情况下NAD-ME定位在线粒体中完全不同。叶绿体、线粒体、细胞质分离测酶活也证实了PEPC定位在细胞质，NAD-ME定位在叶绿体中。龙舌草中HCO3-的利用主要通过细胞内部的碳酸酐酶和膜上的阴离子通道进行。HCO3-利用可以降低沉水植物的光呼吸，有助于其适应水中的低 CO2环境。利用二代测序与三代测序相结合的方法开展了高、低浓度CO2处理后龙舌草昼夜转录组的测序，从转录组水平进一步证实了虽然在低浓度CO2下，C4途径关键酶基因PEPC、PPDK、NAD-ME显著上调，但是不管是高浓度还是低浓度CO2下，龙舌草的C4途径都是组成型表达，并且是NAD-ME型C4途径。项目共发表SCI论文6篇，其他论文1篇，培养硕士研究生2名。项目揭示了不同CO2供应下龙舌草的无机碳利用策略，为高等水生植物无机碳利用策略的研究提供参考。