C4植物如何抵抗高光和高溫脅迫?

2021-03-01 光合作用研究諮訊

C4植物在原生環境中經常經歷高光（HL）和高溫（HL）脅迫，嚴重威脅其生長與產量。然而，大多數科學家都關注C4光合作用的研究以及如何將C4代謝循環導入C3作物中，而忽略了C4植物如何對抗這些脅迫，尤其是葉肉細胞和維管束鞘細胞之間的協調。美國唐納德植物科學中心的科學家在光合作用、轉錄組、超微結構水平上研究了C4模式植物狗尾草（Setaria viridis）對HL或HT處理的反應，揭示了C4植物對這兩種脅迫的不同適應策略，並確定了提高作物對這兩種脅迫的耐受性的潛在靶標。該成果於2021年2月20日預先發表在BioRxiv上。

C4光合作用是適應低二氧化碳、高光（HL）、高溫（HT）條件的自然選擇產物，諸如玉米、高粱等重要的經濟作物都進行C4光合作用。C4植物在高光或高溫條件下比C3植物具有更高的光合和水分利用效率。與此同時，C4作物在自然界中也遭受更頻繁的高光、高溫脅迫。自然條件下，特別是在冠層頂部，強烈的陽光直射使得C4植物的光合機制過飽和。高粱葉片在模擬自然光照4h後，氣孔導度降低，淨CO2同化速率降低。要提高C4作物的產量，必須全面研究C4植物對HL或HT兩種環境因子的反應以及抵禦機制。

有研究表明，對C4模式植物狗尾草進行4天的高光處理，每24h採集光和參數、糖含量、轉錄組等信息，發現狗尾草在轉錄組變化較小的情況下，積累了大量的糖，且未檢測到光合抑制現象，表明在高光處理幾天的情況下，C4植物狗尾草發生了適應以及轉錄穩態。狗尾草是如何快速適應高溫、高光脅迫的？作者監測了HL、HT處理4h內轉錄組、色素和ABA水平的動態變化，測定了光和參數和超微結構的變化。基於實驗數據，作者提出了C4狗尾草應對高溫、高光脅迫的初步模型 (圖1），並找到了C4植物應對HL、HT區別於C3植物的特性，證明了在HL、HT脅迫下，葉肉細胞與維管束鞘細胞具有不同的響應機制。

圖1. 狐尾草應對高光及高溫的策略 

總之，該研究為我們理解C4植物為何比C3植物更耐高溫、高光提供了多個層次的數據支持。C4水稻工程改造項目遇到了瓶頸，C4性狀的複雜程度遠超想像，我們還需要更多知識的儲備與積累。

文章連結：

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.02.20.431694v1

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