拟南芥叶绿体基质α-碳酸酐酶1缺失对光合碳同化、碳代谢及气孔功能的影响

《International Journal of Molecular Sciences》：α-Carbonic Anhydrase 1 Affects Photosynthetic CO2 Assimilation and Stomatal Conductance in Arabidopsis thaliana Plants

　　

摘要

两个拟南芥突变品系，其At3g52720基因被敲除，该基因编码基质α-碳酸酐酶1（αCA1-KO），与野生型哥仑比亚生态型（Col）植株，在空气中CO₂浓度分别为450 ppm（NCO₂）和150 ppm（LCO₂）的条件下进行培养。在NCO₂下生长的植株中，当测量室中CO₂浓度在600至1200 ppm之间时，αCA1-KO植株的CO₂同化速率（ACO₂）低于Col植株。在LCO₂下生长的植株中，无论是Col还是突变体，ACO₂值均低于NCO₂下生长的植株，且突变体与Col的数值相同。在NCO₂下生长的突变体植株中，水利用效率（WUE）在CO₂浓度600 ppm及以上时低于Col；而在LCO₂下生长的突变体中，当CO₂浓度为1200 ppm时，WUE低于Col。在NCO₂和LCO₂两种条件下，突变体叶片中的淀粉含量均低于Col，这是由于白天光合作用过程中淀粉合成减少所致。在NCO₂下，αCA1-KO植株叶片中的过氧化氢含量比Col高55%。在LCO₂下，Col植株中H₂O₂含量增加至NCO₂下的三倍以上，并且比αCA1-KO高出2.5倍；而在αCA1-KO中，H₂O₂含量相比NCO₂下降低了34%。在NCO₂条件下，αCA1-KO植株中基质型、胞质型和过氧化物酶体型抗坏血酸过氧化物酶（APX）的含量约为Col植株的两倍。相反，在LCO₂下生长的植株中，突变体的APX含量低于Col。在NCO₂条件下，Col与突变体的总蛋白含量以及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）的水平相同；而在LCO₂条件下，αCA1-KO的总蛋白含量比Col低35%，RuBisCO水平则低45–50%。在NCO₂下生长的植株叶片中，αCA1-KO的气孔导度高于Col，且对CO₂水平降低时气孔开启动作较慢，对CO₂水平升高时气孔关闭则有所延迟。同时，在缺乏αCA1的情况下，单位叶片面积上的总气孔数目以及开放气孔的相对比例均高于Col叶片。在从NCO₂下生长的αCA1-KO植株中分离的原生质体中，突变体的氧释放稳态速率比Col低30%，并且是在较低的HCO₃^?浓度（5 mM）下达到该速率，而Col原生质体则需8 mM。表观半饱和碳酸氢盐浓度对αCA1-KO约为2 mM，对Col约为4 mM。我们的数据表明，基质叶绿体αCA1参与为拟南芥细胞提供CO₂，并提示αCA1在植物中为淀粉和蛋白质合成提供无机碳方面具有重要意义。缺乏αCA1的植株中，单位叶片面积上的总气孔数目和开放气孔的相对比例均增加，同时气孔反应速率降低，这表明该酶可能参与调节气孔运动和气孔发育的信号过程。