玉米水孔蛋白基因ZmPIP4c作为C_(4)特征性基因的确定

作     者：李享 梁玉玲 刘征 马峙英 Li Xiang;Liang Yuling;Liu Zheng;Ma Zhiying

作者机构：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 河北大学生命科学学院保定071002 

出 版 物：《分子植物育种》 (Molecular Plant Breeding)

年 卷 期：2021年第19卷第9期

页      面：2819-2825页

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

基　　金：河北农业大学引进人才科研专项(YJ2020003)资助。 

主　　题：玉米 C_(4)光合作用 水孔蛋白 生物信息 基因表达 

摘      要：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,C_(3)植物与C_(4)植物的光合作用机制却不尽相同,原因之一是C_(3)植物与C_(4)植物在叶片解剖结构上的差异,C_(4)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C_(4)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C_(4)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C_(4)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C_(4)叶片的细胞特异性特征的构成,为C_(4)特征的组成部分。此外,ZmPIP4c基因与C_(4)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C_(4)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C_(4)植物中尚未确定的C_(4)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C_(4)循环过程的分子机制。