植物碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）是光合作用、pH調(diào)節(jié)、氣孔運(yùn)動(dòng)、離子平衡及碳固定等過(guò)程的關(guān)鍵酶，不僅催化CO₂水合為HCO₃^-，促進(jìn)其在細(xì)胞質(zhì)中快速擴(kuò)散，而且還通過(guò)在葉綠體基質(zhì)中催化HCO₃^-的脫水為Rubisco提供CO₂。在擬南芥中，AtβCA1和AtβCA4通過(guò)不同的亞細(xì)胞定位來(lái)調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)；在水稻中，OsβCA1的突變體則表現(xiàn)出類似的氣孔運(yùn)動(dòng)遲緩和光合作用降低，但其在CO₂介導(dǎo)的氣孔運(yùn)動(dòng)反應(yīng)和光合作用的具體調(diào)控機(jī)制尚不清晰。

　　近期，韶關(guān)學(xué)院廣東省粵北食藥資源利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳太鈺教授課題組聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)林擁軍教授課題組在New Phytologist雜志上在線發(fā)表了題為Alternative Transcriptional Initiation of OsβCA1Produces Three Distinct Subcellular Localization Isoforms Involved in Stomatal Response Regulation and Photosynthesis in Rice的研究論文。該論文報(bào)道了水稻OsβCA1通過(guò)不同的轉(zhuǎn)錄起始產(chǎn)生三種不同亞細(xì)胞定位的OsβCA1亞型，并闡明了三種亞型在CO₂擴(kuò)散、CO₂固定、氣孔孔徑調(diào)節(jié)和CO₂介導(dǎo)的氣孔運(yùn)動(dòng)反應(yīng)中的產(chǎn)生機(jī)制和生物學(xué)作用，為水稻氣孔調(diào)控和光合作用調(diào)節(jié)機(jī)制提供了新見(jiàn)解。

　　OsβCA1通過(guò)不同轉(zhuǎn)錄起始產(chǎn)生三種異構(gòu)體：OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1C分別定位于葉綠體、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)（圖1）。

　　圖1 OsbCA1通過(guò)選擇性轉(zhuǎn)錄起始編碼三種不同的亞細(xì)胞定位的βCA亞型研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，分別敲除了OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1，對(duì)應(yīng)3個(gè)突變體osβca1.1、osβca1.2和osβca1.3（圖2）。

圖2 OsbCA1轉(zhuǎn)錄本特異性突變體（水稻）的產(chǎn)生

　　在本研究中，突變體可以正常生長(zhǎng)；然而，突變體osβca1.1與野生型相比表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)缺陷（圖3a，b）。與osβca1.1和osβca1.2相比，完全敲除OsbCA1的突變體osβca1.3在干重和株高方面的缺陷最大（圖3a，b）。

圖3 OsbCA1亞型在碳固定中的生物學(xué)功能

　　本研究中，科研團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)PP Systems生產(chǎn)的第四代光合作用測(cè)定系統(tǒng)CIRAS-4對(duì)水稻在不同CO?濃度下的氣孔響應(yīng)和光合速率進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)定（圖3c）。OsβCA1A敲除突變體（osβca1.1）和OsβCA1B敲除突變體（osβca1.2）的凈光合速率（Pn）在低CO?條件下顯著低于野生型（WT），表明OsβCA1A和OsβCA1B在碳固定中起重要作用。特別是OsβCA1敲除突變體，其CO?補(bǔ)償點(diǎn)顯著升高，表明其在低CO?條件下的碳固定能力受損。氣孔導(dǎo)度（Gs）數(shù)據(jù)顯示，OsβCA1B敲除突變體（osβca1.2）和OsβCA1完全敲除突變體（osβca1.3）的氣孔導(dǎo)度顯著高于野生型和OsβCA1A敲除突變體（osβca1.1）。這表明OsβCA1B在調(diào)控氣孔開(kāi)度中起關(guān)鍵作用，而OsβCA1A則對(duì)氣孔開(kāi)度影響較小（圖4）。

圖4 OsbCA1（水稻）異構(gòu)體在氣孔開(kāi)放中的作用

　　另外，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)OsβCA1完全敲除突變體（osβca1.3）在低CO?濃度下的氣孔響應(yīng)顯著延遲，而OsβCA1A和OsβCA1B的單獨(dú)敲除并未顯著影響氣孔對(duì)CO?的響應(yīng)速度（圖5）。這表明OsβCA1的三個(gè)異構(gòu)體在CO?響應(yīng)調(diào)控中存在復(fù)雜的相互作用。

圖5 OsbCA1的轉(zhuǎn)錄特異性突變體（水稻）中co2觸發(fā)的氣孔開(kāi)放延遲

　　本研究揭示了OsβCA1基因通過(guò)不同轉(zhuǎn)錄起始產(chǎn)生的三種異構(gòu)體在水稻碳固定和氣孔響應(yīng)中的獨(dú)特作用。OsβCA1A主要參與葉綠體中的碳固定，OsβCA1B則調(diào)控氣孔開(kāi)閉，而OsβCA1C可能在CO?跨膜擴(kuò)散中發(fā)揮作用。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索這些異構(gòu)體在CO?信號(hào)傳導(dǎo)中的具體機(jī)制，以及它們?nèi)绾螀f(xié)同調(diào)控植物的光合作用和氣孔運(yùn)動(dòng)。