李享^1,2 , 梁玉玲² , 刘征^1* , 马峙英^1*

1河北农业大学农学院,华北作物改良与调控国家重点实验室,保定, 071001; 2河北大学生命科学学院,保定, 071002
作者    通讯作者
《分子植物育种》印刷版, 2021 年, 第 19 卷, 第 4 篇   
收稿日期: 2020年03月08日    接受日期: 2020年03月13日    发表日期: 2021年06月26日

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水孔蛋白作为跨膜运输的一种通道蛋白，不仅可以对植物体内的水分进行运输，同时也对 CO₂、H₂O₂等小分子进行运输，影响光合作用等生理代谢过程。尽管光合作用对植物的生长发育至关重要，C₃植物与 C₄植物的光合作用机制却不尽相同，原因之一是 C₃植物与 C₄植物在叶片解剖结构上的差异，C₄植物拥有更膨大、更发达的维管束鞘细胞，有利于水分的储存。因此，我们对 C₄模式植物玉米的水孔蛋白进行了一系列生物信息学分析，其中一个命名为ZmPIP4c 的基因，该基因呈现叶片维管束鞘细胞特异性高表达，有利于水分通过该蛋白进入鞘细胞储存，并平衡叶肉细胞的水分供应。而且该基因从叶基部到叶尖的表达趋势不但与用来筛选 C₄光合作用有关转录本的标志基因——NAD- 苹果酸酶基因(NAD-ME)表达趋势一致，并与C₄循环其他关键基因磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)以及碳酸酐酶(CA)表达趋势一致，均为从叶基部到叶尖表达逐渐上调，表明ZmPIP4c 基因参与 C₄叶片的细胞特异性特征的构成，为 C₄特征的组成部分。此外，ZmPIP4c 基因与 C₄光合作用关键基因PEPC、CA、NAD-ME 在时间节律中的表达趋势一致，表明在光照情况下，该基因为束鞘细胞中所进行的 C₄光合作用提供了充足的水环境，并避免束鞘细胞在黑暗条件下积累过多的水分，而造成水分和能量的浪费。另外，在盐胁迫下束鞘细胞特异性表达基因ZmPIP4c 和叶肉细胞特异性表达的PEPC 以及CA 均呈现下调趋势。由于叶片束鞘细胞和叶肉细胞间存在水力传导信号，该水孔蛋白基因表达下调，可能改变了叶肉细胞内的水溶液环境，进而对PEPC 和CA 的表达产生影响。总之，对玉米水孔蛋白ZmPIP4c 基因的研究，为我们深入研究 C₄植物中尚未确定的 C₄新特征提供了候选基因，并有助于我们深入了解细胞特异性水孔蛋白基因介入 C₄循环过程的分子机制。
 

玉米；C4光合作用；水孔蛋白；生物信息；基因表达