C4玉米中光呼吸铵转运蛋白候选基因的确定

摘要

光呼吸过程在线粒体释放氨。如果氨在线粒体大量积累,会导致线粒体受损。因此,氨需要由铵转运蛋白及时从线粒体运输到叶绿体,并在叶绿体中进一步转变为谷氨酸。在C3植物中,氨在叶肉细胞中产生、转运和固定;而在C4植物中,该过程则发生在维管束鞘细胞中,即光呼吸释放出的氨发生在维管束鞘细胞的线粒体中,然后在铵转运蛋白的运输下,经维管束鞘细胞中的叶绿体膜将氨释放到叶绿体中。我们通过对C4玉米铵转运蛋白基因家族成员在维管柱鞘细胞和叶肉细胞内的表达进行比较、分析时,发现其中一个命名为ZmAMT5c的铵转运蛋白基因的表达在这两种细胞内存在明显差异,并在维管束鞘细胞的表达量明显高于叶肉细胞。进而我们对ZmAMT5c进行了深入的生物信息学和基因表达分析,发现它含有大量的跨膜螺旋,具有典型的跨膜蛋白的特征,并且该蛋白定位在叶绿体膜上,因而该基因是C4玉米中进行跨叶绿体膜运输的铵转运蛋白关键候选基因。而且该基因在玉米叶片梯度的表达与光合组织的成熟度呈正相关,呈现从叶基部到叶尖表达逐渐升高的趋势,进一步证实该基因是光呼吸过程的关键基因。另外,该基因不但响应非生物胁迫(干旱),而且对病原菌胁迫也产生响应。鉴于国内外期刊尚未有C4植物中筛选出光呼吸铵转运蛋白基因的报道,我们首次在玉米中筛选到了光呼吸中的铵转运蛋白候选基因,这将加深科学界对C4植物光呼吸的理解,并为提高作物氨的利用率提供了新的靶标。