兰花CAM分子机制和起源

张亮生

相对于C3和C4光合作用，CAM是一种特化的光合作用，可以在夜间吸收二氧化碳，提高水分利用率，帮助植物适应缺水地区，如半干旱沙漠和季节性缺水森林。21世纪全球人口剧增和急剧的气候变迁对现有的农业生产系统构成了较大的威胁，为了满足随着人口剧增所带来的农作物、畜牧、纤维和燃料危机。CAM是解决这些危机的一个突破口，全球很多研究团队正在集中于解析CAM光合通路的分子机制，希望通过基因工程将CAM引入作物，从而提高水分利用和提高缺水地区的作物产量。因此，对于CAM机理、进化、CAM植物基因组特点的解析将是突破CAM光合通路的分子机制的基础。

CAM植物与C4植物固定与还原CO2的途径基本相同,固定CO2是PEPC酶。二者的差别在于:C4植物是在同一时间(白天)和不同的空间(叶肉细胞和维管束鞘细胞)完成CO2固定(C4途径)和还原(C3途径)两个过程;而CAM植物则是在不同时间(黑夜和白天)和同一空间(叶肉细胞)完成上述两个过程的,如图1。因此,CAM植物能避开辐射和蒸腾势很高的白天,在夜晚打开气孔来吸收光合作用所需的CO2,从使它的蒸腾比远低于其它类型的植物。

图1 已知的CAM植物的C固定代谢途径

我们利用了兰科中CAM和非CAM兰花对碳固定代谢过程进行了深入的分析。发现在CAM和非CAM植物中，基因拷贝数变化上没有明显差别，但是在基因表达水平上差异明显，因而推测CAM途径的产生可能是由于基因表达变化而驱动的。

C4植物相对与C3植物,最大的差别在于C4植物进化出由PEPC酶来固定CO2,并且玉米和高粱等C4植物的PEPC酶有几个位点发生突变,导致其活性增强,固定CO2能力大大提高(Paulusetal.,2013)。而在兰科的CAM植物中却没有发现这些位点有突变,显示CAM植物固定CO2有着特别的机制(Zhangetal.,2016b)。

    通过兰科植物的非CAM植物和CAM植物的晚上和白天表达数据比较发现,一些基因在早晚呈现明显的差异,如PEPC,PPCK,PPDK等基因在晚上表达明显增高。显示兰科植物固定CO2可能是通过催化PEPC，使其活性增高而实现的。如果是这种机制，与C4是不一样的。

  我们还发现蝴蝶兰在夜间进行二氧化碳的初次固定的时候,可能具有两个路径,一个已经报道的PEP经过PEPC酶催化形成不稳定的草酰乙酸(盐),再经NAD-MDH催化形成稳定苹果酸(盐);我们发现是PEP经过PPDK催化形成丙酮酸(盐),再经NAD-ME催化形成苹果酸(盐)，图2。然而这个可能的新通路仅仅基于相关基因的表达得出,还需要经过研究代谢产物和详细和精确的基因表达谱的关联来验证。

图2 推测的兰科CAM植物的C固定代谢途径

具体见

Origin and mechanism of crassulacean acid metabolism in orchids as implied by comparative transcriptomics and genomics of the carbon fixation pathway. Zhang L, Chen F, Zhang GQ, Zhang YQ, Niu S, Xiong JS, Lin Z, Cheng ZM, Liu ZJ. Plant J. 2016 Apr;86(2):175-185. doi: 10.1111/tpj.13159.

tpj13159-1.pdf

相关研究论文见：

Evolutionary history of PEPC genes in green plants: Implications for the evolution of CAM in orchids. Deng H, Zhang LS, Zhang GQ, Zheng BQ, Liu ZJ, Wang Y. Mol Phylogenet Evol. 2016 Jan;94(Pt B):559-64. doi: 10.1016/j.ympev.2015.10.007. Epub 2015 Oct 19.

The pineapple genome and the evolution of CAM photosynthesis.Ming R, VanBuren R, Wai CM, Tang H, Schatz MC, Bowers JE, Lyons E, Wang ML, Chen J, Biggers E, Zhang J, Huang L, Zhang L, Miao W, Zhang J, Ye Z, Miao C, Lin Z, Wang H, Zhou H, Yim WC, Priest HD, Zheng C, Woodhouse M, Edger PP, Guyot R, Guo HB, Guo H, Zheng G, Singh R, Sharma A, Min X, Zheng Y, Lee H, Gurtowski J, Sedlazeck FJ, Harkess A, McKain MR, Liao Z, Fang J, Liu J, Zhang X, Zhang Q, Hu W, Qin Y, Wang K, Chen LY, Shirley N, Lin YR, Liu LY, Hernandez AG, Wright CL, Bulone V, Tuskan GA, Heath K, Zee F, Moore PH, Sunkar R, Leebens Mack JH, Mockler T, Bennetzen JL, Freeling M, Sankoff D, Paterson AH, Zhu X, Yang X, Smith JA, Cushman JC, Paull RE, Yu Q. Nat Genet. 2015 Dec;47(12):1435-42. doi: 10.1038/ng.3435. Epub 2015 Nov 2.

最近还有几篇关于CAM的 Review