基因组所王丽课题组对景天酸代谢的进化提供新见解

3月23日，《植物通讯（Plant Communications）》在线发表了基因组所王丽课题组合作研究成果，题为“Diel dynamics of multi-omics in elkhorn fern provides new insights into weak CAM photosynthesis” 。该研究利用热带、亚热带地区的园艺植物二歧鹿角蕨（Platycerium bifurcatum (Cav.) C. Chr.）的营养叶（cover leaves）和孢子叶（sporotrophophyll leaves）分别通过weak CAM和C(3)途径进行光合作用的特点，通过多组学测序和分析手段，为CAM途径光合作用的进化提供了新的见解，并为CAM生物工程提供了新的思路。

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，且存在多种CAM类型，包括：strong CAM、weak CAM、CAM cycling和CAM idling。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。

研究人员通过比较二歧鹿角蕨营养叶和孢子叶以及典型CAM和C3植物的光合作用重要指标，发现weak CAM途径光合作用的复杂性，这也暗示了weak CAM在自然界的存在可能远比我们想象的普遍。另外，该研究通过二歧鹿角蕨的营养叶和孢子叶进行时序的初生代谢组、蛋白组和转录组测序和分析，揭示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。

该研究构建了营养叶CAM途径夜间同化CO2的碳代谢通路和“昼关夜开”的气孔开合通路的时序转录因子-基因表达调控网络，筛选得到CAM途径关键转录因子，为后续的CAM途径转录调控机理研究提供候选基因。另外，研究人员整合目前已发表的所用CAM植物夜间CO2同化相关基因的序列数据和基因表达数据，发现在基因表达水平上，PPCK在不同CAM物种中具有趋同的昼夜表达模式，表明其在CAM途径夜间CO2同化的趋同进化中起关键作用。

基因组所博士后李诚和博士生韩晓栩等为论文第一作者。基因组所王丽研究员、广东省农业科学院晏石娟研究员和美国橡树岭国家实验室 Xiaohan Yang教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（32070242）、国家重点研发计划（2020YFA0907900）、广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515110912）、深圳科学技术创新委员会（20200811142605017）等的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100594