Flaveria属植物C4光合作用进化中转录调控的主导作用及其基因组学机制

本研究通过构建五种Flaveria属植物（涵盖C3到C4光合作用进化阶段）的染色体级基因组，结合多组学分析揭示了C4光合作用进化的关键机制。研究人员发现转座子扩张导致基因组尺寸逐渐增加，并通过逆转录转座事件使CA1、PEPC1和PEPC-k1基因获得额外拷贝。研究首次证实C4基因蛋白水平提升主要依赖转录调控而非翻译效率改变，并鉴定出乙烯响应因子（ERF）及其顺式调控元件在C4基因表达中的核心作用。该成果为理解C4光合作用的进化路径提供了重要理论依据。

　　

在植物进化史上，C₄光合作用被认为是最成功的进化创新之一。与常见的C₃植物相比，C₄植物具有更高的光能、水分和氮素利用效率，这使得它们能够在高温、干旱和低CO₂环境下茁壮成长。然而，C₄光合作用是如何从C₃祖先演化而来的，这一直是植物生物学领域的重要科学问题。特别是在基因表达调控层面，C₄相关基因如何获得高水平表达特性的机制尚不清楚。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心的研究人员选择Flaveria属植物作为研究对象，该属包含C₃、C₄以及多种中间类型物种，是研究C₄光合作用进化的理想模型。通过整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和表观基因组学等多维度数据，研究人员系统解析了C₄光合作用进化的分子机制，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究采用了多项关键技术：1）PacBio长读长测序结合Hi-C技术构建染色体级基因组；2）RNA-seq和Ribo-seq分析转录和翻译效率；3）ATAC-seq检测染色质开放区域；4）EMSA和双荧光素酶报告系统验证转录因子功能；5）酶活性测定和Western blot分析蛋白表达。

研究结果部分：

"染色体尺度基因组组装揭示Flaveria物种进化特征"：研究人员成功构建了五种Flaveria物种的染色体级基因组，发现从C₃到C₄物种的基因组大小逐渐增加（0.55Gb增至1.8Gb），这主要归因于转座元件的扩张。荧光原位杂交证实所有物种均为二倍体（2n=36）。

"C₄酶和转运蛋白基因的注释"：系统鉴定了15个参与C₄光合作用的关键基因，包括8个酶基因和7个转运蛋白基因。发现C₄物种Ftri中PEPC1基因通过逆转录转座获得三个拷贝，这些拷贝具有相似的表达水平和光诱导特性。

"转录调控在C₄基因蛋白水平提升中的主导作用"：蛋白质组分析显示C₄基因在C₄物种中具有显著更高的mRNA和蛋白水平，但其蛋白-mRNA比值（PTR）和翻译效率与C₃物种相当，表明转录调控是蛋白水平提升的主要驱动力。

"ERF转录因子在C₄基因调控中的关键作用"：ATAC-seq分析发现C₄基因的开放染色质区域富含ERF顺式调控元件。通过EMSA和瞬时表达实验证实ERF12和ERF61能特异性结合并激活CA1和PEPC1基因的启动子。

这项研究不仅提供了高质量的Flaveria属基因组资源，更重要的是揭示了转录调控在C₄光合作用进化中的核心作用。研究发现C₄基因表达水平的提升主要通过转录调控实现，而非翻译效率的改变。ERF转录因子家族的扩张及其与C₄基因的共进化关系，为理解C₄光合作用的调控网络提供了新视角。这些发现对指导C₃作物（如水稻、小麦）的C₄化改造具有重要理论意义，为未来创制高光效作物提供了关键分子靶点。