水生植物水车前整合C4-NAD-ME亚型、CAM及碳酸氢盐利用机制的单细胞光合创新模型

《New Phytologist》：A novel single-cell NAD-ME C4 subtype integrated with CAM and bicarbonate use in an aquatic plant

本研究揭示了水生植物水车前（Ottelia alismoides）在单细胞内同时运行C4（NAD-ME亚型）、CAM（景天酸代谢）和HCO3?利用三种碳浓缩机制（CCM）的独特适应性策略，突破了传统植物光合模型的理论边界，为未来作物光合效率工程改造提供了全新思路。

　　

摘要

淡水单子叶植物水车前（Ottelia alismoides）被发现是唯一已知同时拥有三种碳浓缩机制（CCM）的物种：包括构成型C4光合作用、碳酸氢盐利用以及无机碳限制条件下诱导的兼性CAM。该研究通过酶活性分析、转录组学、蛋白质组学和¹³C标记等技术，揭示了这些机制在无花环解剖结构下的整合方式与调控原理。

植物培养与处理

实验采用来自中国武汉东湖的水车前种子，在高低不同CO₂浓度（HC和LC）条件下进行培养。低碳条件（LC）通过植物光合作用消耗CO₂，使pH值昼夜波动在8.5至9.9之间，CO₂浓度夜间平均为3.3 μM，白天为0.8 μM。高碳条件（HC）则通过CO₂曝气将pH维持在6.5–7.0，CO₂浓度显著更高。同时以C₃水生植物卡罗莱纳莼菜（Cabomba caroliniana）作为对照。

酸度与酶活性测量

研究发现，仅在LC条件下水车前叶片呈现显著的昼夜酸度变化（10.7 μequiv H⁺·g^?1 FW），这是CAM的典型特征。酶活性分析显示，NAD-苹果酸酶（NAD-ME）的活性远高于NADP-苹果酸酶（NADP-ME），证实其主导了解羧过程。苹果酸脱氢酶（NAD-MDH）的活性显著高于天冬氨酸氨基转移酶（AspAT），暗示苹果酸而非天冬氨酸是该物种C4途径中的首要稳定产物。

C4抑制剂对净光合的影响

使用特异性抑制剂奥卡宁（okanin，PEPC抑制剂）和BIM4（PPDK抑制剂）处理叶片，证实水车前在HC与LC条件下均依赖C4代谢，而C₃对照植物莼菜则未出现显著抑制，进一步支持其C4代谢的功能性存在。

¹³C标记动力学与代谢物分析

¹³C标记实验显示，在5秒内就有¹³C标记出现在苹果酸中，且苹果酸库大小远大于其他代谢物。在LC条件下，标记苹果酸中的¹³C占比近乎100%，而天冬氨酸中的标记极少，再次验证苹果酸是C4路径中的关键中间产物。

RNA测序与蛋白定位

转录组分析发现大量基因表达受光和碳条件显著调控。PEPC的不同亚型（Isoform 2和3）分别在光照和黑暗中有高表达，可能与C4和CAM的分工有关。亚细胞蛋白定位证实Rubisco位于叶绿体，NAD-ME位于线粒体，而PEPC位于细胞质。免疫金标记显示Rubisco在表皮和叶肉细胞中均有分布，支持单细胞C4模型。

磷酸化分析与细胞器互作

质谱分析显示，PEPC在昼夜不同时间点发生磷酸化修饰，可能用于调节酶活性和防止苹果酸抑制。电镜观察发现LC条件下叶绿体与线粒体之间的空间距离显著缩短（中位距离0.21 μm），有利于代谢物快速交换及CO₂浓缩。

代谢转运体与糖酵解

研究鉴定出多个与C4和CAM相关的代谢物转运体，包括线粒体二羧酸转运体（DTC）、液泡膜二羧酸转运体（TDT）和液泡ATP酶（V-ATPase），这些蛋白质在LC夜间显著上调，支持苹果酸在液泡中的昼夜储存与释放。糖酵解相关酶（如淀粉磷酸化酶、磷酸葡萄糖变位酶）在夜间表达量升高，为CAM提供PEP底物。

讨论与生态意义

水车前在单细胞内通过时间（昼夜）和空间（亚细胞区域）上的精细调控，实现了C4、CAM和HCO₃^?利用的三重整合。其C4代谢属于NAD-ME亚型，但以苹果酸为核心中间产物，与经典以天冬氨酸为主导的模型不同。这种多功能CCM系统使其能够在水体碳限制环境中高效获取和再利用碳，减少光呼吸，最大化光合效率。该研究扩展了植物光合类型多样性认知，并为设计具有更高碳汇能力的新型作物提供了理论依据与基因资源。