2023年10月23日，植物學期刊New Phytologist在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王鵬研究組題為“Regulatory NADH dehydrogenase-like complex optimizes C₄ photosynthetic carbon flow and cellular redox in maize”的研究論文。該研究揭示了玉米維管束鞘細胞中NDH復合體介導的環式電子傳遞途徑在調節C₄光合碳代謝過程和細胞氧化還原狀態方面的重要作用，為解析C₄光合引擎的高效運轉機制提供了新的見解。

　　光合作用是植物與環境間重要的物質和能量交換過程。C₄植物玉米是高效能光合作用的代表，其葉片具有典型的“花環狀結構”（Kranz anatomy）和CO₂濃縮機制（CCM）。相對于C₃植物水稻，C₄植物玉米葉片維管束鞘(BS)細胞和葉肉(M)細胞分別含有呈現不同超微結構的葉綠體和特異分布的代謝酶，CO₂能夠通過M細胞中蘋果酸、天冬氨酸等的合成，被轉運并濃縮在BS細胞中的Rubisco周圍，實現對CO₂的高效同化，從而提高光合效率。

　　高等植物中存在依次經由光系統II和光系統I的線性光合電子傳遞途徑，和圍繞光系統I的環式電子傳遞途徑。目前已知的環式電子傳遞途徑由葉綠體NADH脫氫酶-like復合體(NDH)或質子梯度調節蛋白PGR5和PGRL1介導。不同于M細胞葉綠體中大量垛疊的富含光系統II(PSII)的基粒類囊體，玉米BS細胞葉綠體中類囊體呈現非垛疊化狀態，富含光系統I(PSI)。NDH復合體與光系統I相結合，特異性地分布于非垛疊類囊體區域，通過介導環式電子傳遞，能夠驅動ATP的合成。有研究指出NDH在C₄植物中的含量大于C₃植物，且在NADP-蘋果酸酶類型C₄植物（如玉米）的BS細胞中含量大于M細胞，但其在多大程度上參與CO₂濃縮機制,缺乏相應突變體進行系統分析和實驗研究。

　　本研究利用基因編輯技術在玉米和水稻中分別獲得NDF6和NDHU亞基功能缺失的突變體。水稻osndf6、osndhu突變體與野生型ZH11相比，生長表型、光合生理參數、光合代謝產物等均沒有特殊的變化。但是，與野生型KN5585相比, 玉米zmndf6與zmndhu突變體植株生長均明顯受到抑制，光合作用相關蛋白含量呈現不同程度減少，光合電子傳遞速率、CO₂同化速率等光合生理指標顯著降低。玉米zmndf6突變體葉片中BS細胞葉綠體的超微結構呈現異常狀態，活性氧的積累明顯多于野生型。轉錄組測序結果顯示，玉米ndh突變體中環式電子傳遞、卡爾文循環和光呼吸相關的基因表達多數上調，其中位于玉米BS細胞中的C₄代謝酶NADP-蘋果酸酶(ME),RbcS1和RbcL1在突變體中的轉錄水平顯著上升。光合作用相關代謝物分析顯示，玉米ndh突變體中蘋果酸、1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)、果糖1,6-二磷酸(FBP)和光呼吸相關代謝物積累水平呈增加趨勢，伴隨NADPH:NADP比值的升高。

　　為了實現C₄途徑中卡爾文循環的高效運轉，必須動態平衡物質和能量代謝，NDH復合體介導的環式電子傳遞途徑對NADPH和ATP的調節，可能在其中發揮作用。而在細胞環境相對特殊的C₄植物BS細胞中，這種調節作用的連續性和必要性更加凸顯出來。綜合研究結果，我們認為NDH-環式電子傳遞途徑通過優化NADPH和蘋果酸通量，可以平衡玉米BS細胞的代謝和氧化還原狀態，協調C₄光合基因表達和蛋白質含量，從而直接影響玉米雙細胞C₄系統的碳流運轉。我們的研究促進了對NDH復合體在玉米BS細胞中功能的理解，為環式電子傳遞途徑參與C₄植物CO₂濃縮機制提供了進一步支持，并將為借鑒C₄途徑對C₃光合作用進行遺傳改造提供調控機制方面的啟發。

　　中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士生張琪琪為該論文第一作者,王鵬研究員為通訊作者。分子植物科學卓越創新中心博士生田世龍、唐啟鳴，陳根云研究員，朱新廣研究員，以及英國謝菲爾德大學Andrew J. Fleming教授參與了本項工作。該研究得到國家自然科學基金面上項目、中國科學院先導科技專項（A類）和英國皇家學會牛頓基金交流項目的資助。

　　論文鏈接：http://doi.org/10.1111/nph.19332

玉米zmndf6和zmndhu突變體的生長表型

NDH介導的環式電子傳遞在玉米C₄光合作用中的意義概述