中科院分子植物卓越中心朱新广团队揭示C4植物比C3植物有更高水分利用效率的分子基础

C4光合是从C3光合进化而来，其不但有着较高粮食产量的潜力，也贡献了地球生态系统大量的初级生产力。C3到C4的进化道路上可以分为好几个被称为中间体的阶段（维管束鞘细胞的激活，叶脉的增多，GDC的转移与形成C2光合，C4代谢的建立）(Schluter and Weber 2016; Sage et al. 2012)，包括了一系列复杂的分子、形态和生理的变化。气孔负责了H2O和CO2在叶片和大气之间的流通, 对植物的光合作用和水分储存有着极大的影响。气孔和光合作用有着密不可分的联系，已经有一些研究表明C4植物的气孔相对于C3植物的气孔发生了形态上的改变 (Taylor et al. 2012)。然而，沿着向C4光合进化的道路气孔是如何进化的，目前并不清楚。

近日，中国科学院分子植物卓越创新中心的朱新广研究员团队在Plant Physiology上在线发表了题为The evolution of stomatal traits along the trajectory towards C4 photosynthesis的研究论文，揭示了气孔在通往C4道路上的进化模式、机制和作用。

该研究在C4进化模式系统黄顶菊属中观察了气孔的变化。研究发现气孔特征（气孔密度和气孔大小）在C4的进化过程中是逐渐而非突然变化；最初的变化发生在光合类型Type I 中间体。这项研究支持气孔特征和光合类型有共进化现象。在通往C4的道路上，气孔趋向变的越来越大和越来越少。由气孔大小和气孔密度决定的最大气孔导度逐渐降低，气孔密度在最大气孔导度的变化中占主导作用，降低的最大气孔导度贡献了C4植物更低的气孔导度和更高的水分利用效率。

气孔密度和气孔大小由气孔的发育决定，而控制气孔发育的分子已经被很好的研究 (Pillitteri and Torii 2012)，研究人员调查了这些分子在黄顶菊属C4进化过程中的变化模式。研究发现气孔发育正调控基因STOMAGEN (Sugano et al. 2010) 的同源基因和气孔发育负调控基因EPF1/2 (Hara et al. 2007; Hunt and Gray 2009) 的同源基因的氨基酸序列在C4进化过程中非常保守，这意味着C4进化过程中没有发生通过改变STOMAGEN,EPF1和EPF2的同源基因的蛋白序列来影响气孔特征的事件。STOMAGEN、EPF1、ER和TMM负责气孔发育 (Pillitteri and Torii 2012)，它们在黄顶菊中的同源基因在C3和C4物种之间表现出了差异表达，都在C4物种中表达较低，其中STOMAGEN表达的差异最大。EPF1、ER和TMM等负调控气孔发育(Pillitteri and Torii 2012)，而STOMAGEN正调控气孔发育(Sugano et al. 2010)，只有STOMAGEN的改变与观察到的气孔密度在C4物种中更低相一致。之后，该研究命名黄顶菊中STOMAGEN的同源基因为FSTOMAGEN。

通过转基因和体外处理等方法，研究人员验证和测试了FSTOMAGEN控制气孔发育的能力。实验结果表明，FSTOMAGEN可以在拟南芥中将气孔密度从150 mm-2增加到800 mm-2之多。而且，用FSTOMAGEN肽段体外处理黄顶菊叶片，也可以显著增加气孔密度，这些结果表明FSTOMAGEN具有很强的正调控气孔发育的能力。通过RNA-seq和RT-qPCR技术，该研究证实了FSTOMAGEN随着C4的进化表达量逐步降低，这表明FSTOMAGEN的表达调控是C4进化途中气孔特征改变的分子基础。最终，该研究检测了更多C4进化世系中FSTOMAGEN的表达量，结果表明FSTOMAGEN的表达量也在其他C4世系中逐步降低。

图1. C4光合作用进化的关键事件

综上所述，这项研究第一次揭示了C4进化途中气孔随之变化的方式和机制；研究人员提议FSTOMAGEN在以后的C4工程改造中可以用于提高C4植物的水分利用效率。该研究进一步完善了对C4光合作用的分子进化中的关键事件的认识（图1）。

中科院分子卓越创新中心博士生赵永耀为第一作者，研究员朱新广为通讯作者。本研究受到中国自然科学基金委及中科院战略性先导专线项目支持。

参考文献：

Hara K, Kajita R, Torii KU, Bergmann DC, Kakimoto T (2007) The secretory peptide gene EPF1 enforces the stomatal one-cell-spacing rule. Genes Dev 21 (14):1720-1725. doi:10.1101/gad.1550707

Hunt L, Gray JE (2009) The signaling peptide EPF2 controls asymmetric cell divisions during stomatal development. Current biology : CB 19 (10):864-869. doi:10.1016/j.cub.2009.03.069

Pillitteri LJ, Torii KU (2012) Mechanisms of stomatal development. Annu Rev Plant Biol 63:591-614. doi:10.1146/annurev-arplant-042811-105451

Sage RF, Sage TL, Kocacinar F (2012) Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis. Annu Rev Plant Biol 63:19-47. doi:10.1146/annurev-arplant-042811-105511

Schluter U, Weber AP (2016) The Road to C4 Photosynthesis: Evolution of a Complex Trait via Intermediary States. Plant Cell Physiol 57 (5):881-889. doi:10.1093/pcp/pcw009

Sugano SS, Shimada T, Imai Y, Okawa K, Tamai A, Mori M, Hara-Nishimura I (2010) Stomagen positively regulates stomatal density in Arabidopsis. Nature 463 (7278):241-244. doi:10.1038/nature08682

Taylor SH, Franks PJ, Hulme SP, Spriggs E, Christin PA, Edwards EJ, Woodward FI, Osborne CP (2012) Photosynthetic pathway and ecological adaptation explain stomatal trait diversity amongst grasses. The New phytologist 193 (2):387-396. doi:10.1111/j.1469-8137.2011.03935.x

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiac252