2023年10月23日，植物学期刊New Phytologist在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王鹏研究组题为“Regulatory NADH dehydrogenase-like complex optimizes C₄ photosynthetic carbon flow and cellular redox in maize”的研究论文。该研究揭示了玉米维管束鞘细胞中NDH复合体介导的环式电子传递途径在调节C₄光合碳代谢过程和细胞氧化还原状态方面的重要作用，为解析C₄光合引擎的高效运转机制提供了新的见解。

　　光合作用是植物与环境间重要的物质和能量交换过程。C₄植物玉米是高效能光合作用的代表，其叶片具有典型的“花环状结构”（Kranz anatomy）和CO₂浓缩机制（CCM）。相对于C₃植物水稻，C₄植物玉米叶片维管束鞘(BS)细胞和叶肉(M)细胞分别含有呈现不同超微结构的叶绿体和特异分布的代谢酶，CO₂能够通过M细胞中苹果酸、天冬氨酸等的合成，被转运并浓缩在BS细胞中的Rubisco周围，实现对CO₂的高效同化，从而提高光合效率。

　　高等植物中存在依次经由光系统II和光系统I的线性光合电子传递途径，和围绕光系统I的环式电子传递途径。目前已知的环式电子传递途径由叶绿体NADH脱氢酶-like复合体(NDH)或质子梯度调节蛋白PGR5和PGRL1介导。不同于M细胞叶绿体中大量垛叠的富含光系统II(PSII)的基粒类囊体，玉米BS细胞叶绿体中类囊体呈现非垛叠化状态，富含光系统I(PSI)。NDH复合体与光系统I相结合，特异性地分布于非垛叠类囊体区域，通过介导环式电子传递，能够驱动ATP的合成。有研究指出NDH在C₄植物中的含量大于C₃植物，且在NADP-苹果酸酶类型C₄植物（如玉米）的BS细胞中含量大于M细胞，但其在多大程度上参与CO₂浓缩机制,缺乏相应突变体进行系统分析和实验研究。

　　本研究利用基因编辑技术在玉米和水稻中分别获得NDF6和NDHU亚基功能缺失的突变体。水稻osndf6、osndhu突变体与野生型ZH11相比，生长表型、光合生理参数、光合代谢产物等均没有特殊的变化。但是，与野生型KN5585相比, 玉米zmndf6与zmndhu突变体植株生长均明显受到抑制，光合作用相关蛋白含量呈现不同程度减少，光合电子传递速率、CO₂同化速率等光合生理指标显著降低。玉米zmndf6突变体叶片中BS细胞叶绿体的超微结构呈现异常状态，活性氧的积累明显多于野生型。转录组测序结果显示，玉米ndh突变体中环式电子传递、卡尔文循环和光呼吸相关的基因表达多数上调，其中位于玉米BS细胞中的C₄代谢酶NADP-苹果酸酶(ME),RbcS1和RbcL1在突变体中的转录水平显著上升。光合作用相关代谢物分析显示，玉米ndh突变体中苹果酸、1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)、果糖1,6-二磷酸(FBP)和光呼吸相关代谢物积累水平呈增加趋势，伴随NADPH:NADP比值的升高。

　　为了实现C₄途径中卡尔文循环的高效运转，必须动态平衡物质和能量代谢，NDH复合体介导的环式电子传递途径对NADPH和ATP的调节，可能在其中发挥作用。而在细胞环境相对特殊的C₄植物BS细胞中，这种调节作用的连续性和必要性更加凸显出来。综合研究结果，我们认为NDH-环式电子传递途径通过优化NADPH和苹果酸通量，可以平衡玉米BS细胞的代谢和氧化还原状态，协调C₄光合基因表达和蛋白质含量，从而直接影响玉米双细胞C₄系统的碳流运转。我们的研究促进了对NDH复合体在玉米BS细胞中功能的理解，为环式电子传递途径参与C₄植物CO₂浓缩机制提供了进一步支持，并将为借鉴C₄途径对C₃光合作用进行遗传改造提供调控机制方面的启发。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生张琪琪为该论文第一作者,王鹏研究员为通讯作者。分子植物科学卓越创新中心博士生田世龙、唐启鸣，陈根云研究员，朱新广研究员，以及英国谢菲尔德大学Andrew J. Fleming教授参与了本项工作。该研究得到国家自然科学基金面上项目、中国科学院先导科技专项（A类）和英国皇家学会牛顿基金交流项目的资助。

　　论文链接：http://doi.org/10.1111/nph.19332

玉米zmndf6和zmndhu突变体的生长表型

NDH介导的环式电子传递在玉米C₄光合作用中的意义概述