[科研前线│CIRAS-4]水稻OsβCA1通过不同转录起始产生三种不同亚细胞定位的OsβCA1亚型，参与气孔响应调控和光合作用

来源：汉莎科技集团有限公司更新时间：2025-02-18 16:07:49 阅读量：326

导读：[科研前线│CIRAS-4]水稻OsβCA1通过不同转录起始产生三种不同亚细胞定位的OsβCA1亚型，参与气孔响应调控和光合作用

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植物碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）是光合作用、pH调节、气孔运动、离子平衡及碳固定等过程的关键酶，不仅催化CO₂水合为HCO₃^-，促进其在细胞质中快速扩散，而且还通过在叶绿体基质中催化HCO₃^-的脱水为Rubisco提供CO₂。在拟南芥中，AtβCA1和AtβCA4通过不同的亚细胞定位来调控气孔运动；在水稻中，OsβCA1的突变体则表现出类似的气孔运动迟缓和光合作用降低，但其在CO₂介导的气孔运动反应和光合作用的具体调控机制尚不清晰。

近期，韶关学院广东省粤北食药资源利用与保护重点实验室陈太钰教授课题组联合华中农业大学林拥军教授课题组在New Phytologist杂志上在线发表了题为Alternative Transcriptional Initiation of OsβCA1 Produces Three Distinct Subcellular Localization Isoforms Involved in Stomatal Response Regulation and Photosynthesis in Rice的研究论文。该论文报道了水稻OsβCA1通过不同的转录起始产生三种不同亚细胞定位的OsβCA1亚型，并阐明了三种亚型在CO₂扩散、CO₂固定、气孔孔径调节和CO₂介导的气孔运动反应中的产生机制和生物学作用，为水稻气孔调控和光合作用调节机制提供了新见解。

OsβCA1通过不同转录起始产生三种异构体：OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1C分别定位于叶绿体、细胞膜和细胞质（图1）。

图1 OsbCA1通过选择性转录起始编码三种不同的亚细胞定位的βCA亚型

研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，分别敲除了OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1，对应3个突变体osβca1.1、osβca1.2和osβca1.3（图2）。

图2 OsbCA1转录本特异性突变体（水稻）的产生

在本研究中，突变体可以正常生长；然而，突变体osβca1.1与野生型相比表现出明显的生长缺陷（图3a，b）。与osβca1.1和osβca1.2相比，完全敲除OsbCA1的突变体osβca1.3在干重和株高方面的缺陷最大（图3a，b）。

图3 OsbCA1亚型在碳固定中的生物学功能

本研究中，科研团队利用美国PP Systems生产的第四代光合作用测定系统CIRAS-4对水稻在不同CO?浓度下的气孔响应和光合速率进行了系统测定（图3c）。OsβCA1A敲除突变体（osβca1.1）和OsβCA1B敲除突变体（osβca1.2）的净光合速率（Pn）在低CO?条件下显著低于野生型（WT），表明OsβCA1A和OsβCA1B在碳固定中起重要作用。特别是OsβCA1敲除突变体，其CO?补偿点显著升高，表明其在低CO?条件下的碳固定能力受损。

气孔导度（Gs）数据显示，OsβCA1B敲除突变体（osβca1.2）和OsβCA1完全敲除突变体（osβca1.3）的气孔导度显著高于野生型和OsβCA1A敲除突变体（osβca1.1）。这表明OsβCA1B在调控气孔开度中起关键作用，而OsβCA1A则对气孔开度影响较小（图4）。

图4 OsbCA1（水稻）异构体在气孔开放中的作用

另外，研究团队发现OsβCA1完全敲除突变体（osβca1.3）在低CO?浓度下的气孔响应显著延迟，而OsβCA1A和OsβCA1B的单独敲除并未显著影响气孔对CO?的响应速度（图5）。这表明OsβCA1的三个异构体在CO?响应调控中存在复杂的相互作用。

图5 OsbCA1的转录特异性突变体（水稻）中co2触发的气孔开放延迟

本研究揭示了OsβCA1基因通过不同转录起始产生的三种异构体在水稻碳固定和气孔响应中的独特作用。OsβCA1A主要参与叶绿体中的碳固定，OsβCA1B则调控气孔开闭，而OsβCA1C可能在CO?跨膜扩散中发挥作用。未来的研究可以进一步探索这些异构体在CO?信号传导中的具体机制，以及它们如何协同调控植物的光合作用和气孔运动。

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