分类： 时空组学
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原文：空间分辨率下的C4+CAM整合光合代谢途径
英文题目：Spatial resolution of an integrated C4+CAM photosynthetic metabolism
发表日期：2021.11.25
发表单位：耶鲁大学
研究方向：马齿苋叶片，植物光合作用

研究背景

文中以马齿苋叶片为研究对象，在空间层面整合了光合作用中C4及CAM（Crassulacean acid metabolism，景天酸代谢）两种不同代谢途径的细胞定位。对于大部分植物，其光合代谢往往只涉及到上述一种途径。马齿苋是一种特殊的C4草本植物，在干旱胁迫下，亦可进行CAM。

对马齿苋叶片在水分充足和干旱条件下的叶肉和束鞘细胞群体进行了两种不同的空间基因表达分析,此外，测试了在多种情况下，C4和CAM在叶肉和束鞘细胞间整合的最有效生化模型,作为一个新的理论阐释马齿苋植物光合代谢机制。

研究方法

实验材料：马齿苋叶片，水分充足叶片vs 干旱诱导叶片，3个不同区域，

实验方法：空间转录组（10x visium) ,单细胞测序（LCM-seq）

马齿苋叶片干旱诱导CAM和激光捕获显微解剖

研究结论

1. 研究人员通过激光显微技术对不同环境（水分充足及干旱环境，白天及夜间）叶片进行切割区分，获得叶肉，叶鞘及水分贮藏细胞，进行传统的转录组分析，并结合空间转录组测序及叶片的组织区分，分析了C4及CAM相关的差异表达基因，并建立了流量平衡模型，预测了干旱条件下c4 +CAM系统的完整性。

2. 在马齿苋中，C4和CAM途径与合成PEP相关的基因均在叶片中富集，而卡尔文循环相关基因只富集在叶鞘细胞中，表明马齿笕的CAM途径，不仅存在昼夜分离，也存在着空间的分离。糖运输的增加与CAM诱导有关，G3P起源于束鞘，但PEP再生的最后步骤主要发生在叶肉中。CAM和c4固碳发生在相同的细胞中，CAM产生的代谢产物可能直接融入到C4循环中。

3. 作者建立了双细胞-双（昼夜）阶段的光合代谢模型。当水分充足时，马齿笕叶片中只能检测到少量的CAM途径。而处于干旱环境时，可以进行C4+CAM代谢途径，此时马齿笕中的C4途径亦可利用CAM途径产生的苹果酸，大幅提高光合作用的效率。这一发现对C4 +CAM光合作用的空间明确描述，为作物改良提供了新的蓝图。

 

马齿苋干旱胁迫下不同空间区域基因表达特征

 

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