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基于单细胞ATAC-seq技术的C4光合调控分子机制研究

批准号:
32100438
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
涂晓雨
学科分类:
基因表达及非编码序列调控
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
涂晓雨

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
大部分植物的C3光合作用发生在叶肉细胞。为适应恶劣环境一些被子植物进化出更有效的C4光合。它们在叶肉细胞内完成碳的固定,随后在维管束鞘细胞中经过脱羧反应释放CO2给卡尔文循环。细胞分工是C4的关键,将光合基因差异表达于两种细胞是分子基础。依据脱羧酶的种类C4植物可被划分为三种亚型:NAD-ME、NADP-ME和PEPCK。我们前期研究发现玉米和高粱等NADP-ME型C4植物的基因表达受启动子染色质开放性影响。为更好地研究C4谱系中染色质开放性图谱的差异,我们自主开发了一种单细胞组合标记ATAC-seq测序技术,首先成功分析了7281个玉米叶片单细胞,阐明4个细胞亚群的调控差异。本项目希望以玉米、小米和棕顶臂型草为C4亚型代表,通过此技术结合比较基因组学,探究物种间调控机制差异。这项对C4光合趋同进化的分析研究,将有助于我们揭示驱动C4光合的关键因子,为C3植物C4改造工程提供新思路。
英文摘要
Unlike the C3 plants which complete the photosynthesis in a single cell type, C4 plants fixed CO2 into a C4 acids in mesophyll cell. It is then transported into the bundle sheath cells where it converted back to CO2 and takes part in the Calvin cycle. C4 photosynthesis is a remarkable example of convergent evolution, which is associated with morphological adaptation as well as the strict compartmentation of biochemical activities two cell types. C4 plants can be further classified into three subtypes based on the primary decarboxylating enzyme: NADP malic enzyme (NADP-ME), NAD malic enzyme (NAD-ME) and phosphoenolpyruvate carboxykinase (PCK). The decarboxylation in the bundle sheath cells can occur in distinct cellular compartments, since NADP-ME occurs in chloroplasts, NAD-ME in mitochondria, whereas PEPCK exhibits cytosolic activity. Our previous studies revealed that the maize cell-specific C4 photosynthesis genes could be regulated by promoter open chromatin changes. In this study, I propose to use single-cell combinatorial index ATAC-seq technologies to profile the genome-wide chromatin landscape in three C4 subtype model grasses: maize (NADP-ME), proso millet (NAD-ME) and browntop signalgrass. Comparative genomic analysis will be performed to study the regulatory mechanisms. This cross-species multi-omics analysis of the C4 plants will shed light on the genetic mechanisms driving C4 evolution and provide new direction for engineering C4 traits into C3 crops.
C4植物代表陆地上一类高生产力植物类群,其光合作用通过叶肉细胞与维管束鞘细胞的空间分隔实现区室化,从而显著提高光合效率。其中细胞差异性基因表达调控是理解并有效利用C4植物高光效的关键。前期研究表明,NADP-ME型C4植物玉米的基因表达受染色质开放性与转录因子结合的协同调控。为深入研究不同C4谱系中染色质开放性图谱的差异,本项目应用开发的植物单细胞组合索引标记ATAC-seq测序新技术,并选取玉米、高粱、黍子及棕顶臂型草作为代表物种,结合比较基因组学方法,开展物种间C4调控机制的比较。通过分析C4酶编码基因上游的细胞类型特异性染色质状态,揭示不同物种间基因家族成员的多样性选择,同时展现C4光合作用进化过程中多样化途径。本项目还发现C4基因位点上的顺式调控元件仍在持续演化,凸显了C4光合作用基因位点上顺式调控元件演化的动态性和复杂性。基于跨物种的染色质开放图谱分析,本项目还挖掘出C4光合调控的候选转录因子及其顺式作用元件。通过对C4光合作用趋同进化的高精度系统解析,本项目阐明了C4光合适应性进化的调控机制,并为未来作物高光效合成调控策略的工程化设计提供了新的理论依据和研究思路。
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