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为探究多倍体植物光合作用增强的分子机制，南京农业大学研究人员以白菜为材料，研究 miRNA 在其中的作用。结果发现 miRNA 调控 BcLhcbs 基因影响光合作用，该研究有助于理解多倍体光合调控，为白菜分子育种提供参考。
在神奇的植物世界里，多倍体植物就像拥有特殊魔法的 “小巨人”，它们往往比二倍体祖先长得更壮、叶子更大，光合作用能力也更强。就拿我们常见的白菜来说，四倍体白菜的叶片明显更大，产量也更高，这背后似乎隐藏着一个关于光合作用的神秘密码。然而，一直以来，科学家们对多倍体植物光合作用增强的分子机制却知之甚少，这个未解之谜就像一层迷雾，笼罩在植物科学研究的领域。
为了揭开这层迷雾，探索多倍体植物光合作用的奥秘，南京农业大学的研究人员勇敢地踏上了探索之旅。他们以白菜（Brassica campestris ssp. chinensis）为研究对象，深入研究 miRNA（微小核糖核酸，一种参与基因表达调控的小分子 RNA）在其中发挥的作用。经过一系列复杂而严谨的实验，他们发现了关键的 miRNA - mRNA 模块，包括 novel - miR117 - BcLhcb1、novel - miR117 - BcLhcb4.2 和 Bc - miR403 - 5p - BcLhcb2.1。这些模块就像是一把把钥匙，开启了多倍体植物光合作用优势的大门。原来，多倍体化会降低 miRNA（如 novel - miR117 和 Bc - miR403 - 5p）的表达，从而减弱它们对 BcLhcbs（光系统 II 捕光叶绿素 a/b 结合蛋白基因家族）表达的抑制，最终让多倍体植物在光合作用上更具优势。这一发现意义重大，它不仅让我们更深入地理解了 miRNA 在多倍体植物光合作用中的调控机制，还为白菜等作物的分子育种开辟了新的方向，有望培育出更高产、更优质的作物品种。该研究成果发表在《Plant Growth Regulation》杂志上。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是转录组测序和小 RNA 测序技术，通过对二倍体和四倍体白菜的转录组和小 RNA 进行测序，分析基因表达差异和 miRNA 的调控作用；其次是病毒诱导基因沉默（Virus - induced gene silencing，VIGS）技术，用于沉默白菜中的 BcLhcbs 基因，研究其对光合作用的影响；最后是基因过表达技术，将 BcLhcbs 基因在拟南芥中过表达，观察其对植物生长和光合作用的作用 。
下面来详细看看研究结果：
- 同源四倍体白菜生长和光合作用增强：研究发现，同源四倍体白菜植株和叶片更大，单株重量和比叶重（SLW）显著高于二倍体。四倍体白菜叶片可溶性糖含量约为二倍体的 1.4 倍，叶片更厚，细胞间隙更大。通过透射电镜观察发现，四倍体白菜叶绿体中淀粉颗粒更多，类囊体更厚且排列更有序，基粒厚度更大。同时，四倍体白菜的净光合速率（Pn）和最大光化学效率（Fv/Fm）显著增加，这些变化表明其光合作用能力增强。
- 二倍体和四倍体白菜转录组分析：对二倍体和四倍体白菜进行转录组测序，结果显示测序数据重复性良好。差异分析发现，共有 2873 个差异表达基因，其中 1682 个上调，1191 个下调。KEGG 和 GO 分析表明，差异表达基因主要富集在光合作用相关途径，如光合作用 - 天线蛋白、叶绿体类囊体膜等，这与四倍体白菜光合作用增强的现象相符合。
- 二倍体和四倍体白菜 miRNA 的鉴定：进行小 RNA 测序后，获得了高质量序列。共鉴定出 248 个 miRNA，包括 120 个已知 miRNA 和 128 个新预测的 miRNA。其中 40 个 miRNA 存在差异表达，26 个上调，14 个下调。对预测的靶基因进行 GO 和 KEGG 分析发现，靶基因主要富集在光合作用相关途径，进一步证明了 miRNA 在调控四倍体白菜光合作用中的重要作用。
- miRNA 和转录组测序的综合分析：通过比较 miRNA 和转录组测序数据，确定了 162 个可能存在调控关系的 miRNA - mRNA 对，其中 87 对呈现负调控关系。在光合作用 - 天线蛋白途径中，发现 BcLhcb1、BcLhcb2.1 和 BcLhcb4.2 受特定 miRNA 调控，如 novel - miR117 负调控 BcLhcb1 和 BcLhcb4.2，Bc - miR403 - 5p 负调控 BcLhcb2.1。烟草瞬时表达实验验证了这些调控关系。
- 沉默 BcLhcbs 降低白菜光合作用，过表达 BcLhcbs 增加拟南芥光合作用：利用 VIGS 技术沉默白菜中的 BcLhcbs 基因，结果显示沉默植株生长受到抑制，净光合速率显著降低。在拟南芥中过表达 BcLhcbs 基因，植株生长明显增加，重量显著提高，叶绿体超微结构分析发现转基因植株淀粉颗粒增大，类囊体排列更紧密有序。
- miRNA（novel - miR117 和 Bc - miR403 - 5p）降低拟南芥植株重量：在拟南芥中过表达 novel - miR117 和 Bc - miR403 - 5p，在低光条件下，过表达植株生长明显受抑制，叶片更小，植株重量显著降低。分析发现，过表达植株中与 BcLhcbs 同源的 AtLhcbs 基因表达下调，且叶绿体超微结构发生变化，淀粉颗粒体积增大，但类囊体结构与对照组无明显差异。
研究结论和讨论部分表明，本研究揭示了 miRNA 参与同源四倍体白菜形成过程中的基因调控，从而增加了其光合能力，促进了植物生长。虽然研究取得了重要进展，但影响 miRNA 表达的调控机制仍不明确，需要进一步研究。总体而言，该研究为深入理解多倍体植物光合作用的分子机制提供了新的视角，为作物分子育种奠定了理论基础，对推动植物科学发展和农业生产具有重要意义。
