C4作物耐冷性研究進展

周峰　華春　王仁雷　等

摘要：C4光合作用是最高效利用光照、水分和氮氣進行碳固定的光合途徑；C4植物，如玉米是農業生產中最重要的作物之一，但是C4植物的分布主要局限在熱帶和亞熱帶地區。討論了寒冷氣候對C4光合途徑和C4作物玉米的影響；并介紹了一部分能適應寒冷氣候的C4植物及其耐冷機制，指出通過增加丙酮酸磷酸二激酶（pyruvate orthophosphate dikinase，PPDK）及其有關調節蛋白含量，并適度增加RuBP羧化酶（ribulose bisphosphate carboxylase，RuBisCO）含量，可以提高C4作物玉米等的耐冷性。

關鍵詞：C4作物；寒冷氣候；玉米；耐冷機制；奇崗

中圖分類號： Q945.11文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0010-02

收稿日期：2014-02-17

基金項目：國家“863”計劃（編號：2012AA021701）；江蘇省自然科學基金青年基金（編號：BK2012073）；南京曉莊學院生物學重點學科項目（編號：XZZDXK201203）。

作者簡介：周峰（1978—），男，山東淄博人，博士，副教授，從事植物生理生化研究。E-mail：zfibcas@163.com。C4光合作用是最高效利用光照、水分和氮氣進行碳固定的光合途徑，其效率可比C3途徑高30%。C4植物是陸地上生產力最高的植物，目前世界上陸地植物最大干物質產量就是來自C4植物多穗稗（Echinochloa polystachya），年產量高達100 t/hm2；而陸地作物最大干物質產量來自象草（Pennisetum purpureum），年產量88 t/hm2。C4植物的分布主要局限在熱帶和亞熱帶地區，由于C4光合作用起源于熱帶和亞熱帶地區，因此有人認為C4光合作用器官只限于溫暖環境；但有一小部分C4植物并不是這樣，它們的光合作用器官已經適應了寒冷氣候，所謂寒冷氣候指的是冬天平均最低氣溫≤-3 ℃。盡管像多年生牧草（perennial grasses）等C4植物在休眠期能度過≤-20 ℃的冬天，但是C4植物為溫暖性植物，不是由冬季溫度而是由生長期溫度決定其生存和產量，對于C4植物而言，一年中溫暖季節平均溫度至少要≥9 ℃才能保證其正常生長。盡管大多數作物都是C3植物，但是像玉米、高粱和甘蔗等重要作物為C4植物，還有一些生物能源作物如互花米草（Spartina pectinata）、黍稷（Panicum virgatum）、奇崗（Miscanthus giganteus），這些C4植物適應寒冷氣候的能力較強，所以它們生長的季節和緯度范圍都擴大了[1-2]。

1C4作物在農業生產中的重要性

玉米是現在全球最重要的作物，產量居全球農作物首位。2010年，全球玉米產量為8.44億萬t，其中美國產量3.16億萬t，中國產量1.78萬t，歐盟產量5 800萬t，三者占全球產量的65%；同年，水稻產量為6.96萬t，居第2位，小麥產量為6.54萬t，居第3位[2]。在最適溫度及光飽和情況下，玉米的CO2吸收率為50～60 μmol/（m2 ·s），是水稻和小麥的2倍，且玉米單位面積產量比水稻和小麥高42%。盡管玉米起源于熱帶地區，但目前主要產于低溫和溫帶地區。按照目前世界人口的增長的趨勢，預計2050年世界糧食產量要增加70%才能避免糧食短缺問題，但是現在水稻和小麥的產量停滯不前，只能寄希望于玉米的增產，但是由于很多地區受寒冷氣候影響，使得玉米增產受到影響。有些耐寒冷的C4植物，如奇崗，其產量比玉米高59%，如果能把這些C4植物耐受寒冷的基因導入玉米或水稻，這樣將使全球糧食產量大大增加，有助于維護世界糧食安全。此外，研究玉米如何適應寒冷氣候也有助于獲得有效的C4途徑水稻[3-4]。

2寒冷氣候對C4光合途徑的影響

C4植物固定CO2發生在葉肉細胞的胞質溶膠中，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下，磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和CO2生成草酰乙酸。草酰乙酸可轉變成其他四碳酸，如蘋果酸和天冬氨酸，然后運輸到維管束鞘細胞，在維管束鞘細胞中分解為CO2和丙酮酸，CO2在維管束鞘細胞中進入C3途徑。由于PEP羧化酶的活性很高，所以轉運到葉肉細胞中的CO2濃度很高，大約是空氣中的10倍，足夠抑制RuBP加氧酶，從而抑制光呼吸。由于能有效地抑制光呼吸，C4途徑平均比C3途徑在光合產量、水分和氮氣利用率上高30%。這就是溫暖氣候下，C4植物比C3植物光合高效的原因。然而當氣溫≤14 ℃時，C4植物就失去了這種高效光合能力，因為C4植物起源于熱帶和亞熱帶地區的C3植物祖先，具有所有熱帶植物面對寒冷氣候的生理缺陷。研究表明，C3植物在≤25 ℃下，其CO2最大固定效率要比C4植物高；而在大于25 ℃環境下，C4植物CO2最大固定效率比C3植物要高，這與C4植物在25 ℃等溫線的地理分布吻合[5]。在寒冷地區，C4植物生存競爭能力較弱可能與其CO2最大固定效率不高有關，RuBP羧化酶（ribulose bisphosphate carboxylase，RuBisCO）在C4植物代謝中起到非常重要作用，但在寒冷溫度下，其作用受到限制。如果在寒冷條件下，增加和積累RuBisCO量便可消除這種限制作用，但是C4植物不能容納過多的RuBisCO，因為C4植物是二形的光合細胞，只有一半即維管束鞘細胞含有RuBisCO，大約只是C3植物的一半[6]。我國的C4植物有13.3%～14.3%分布在寒溫帶，因此研究寒冷氣候對C4光合途徑的影響具有重要意義[7]。

3寒冷氣候對C4作物玉米的影響

玉米是現在全球最重要的作物，也是C4植物。玉米在最適溫度下，CO2同化效率最高，但溫度一旦降到14 ℃以下，葉片幾乎失去光合能力。盡管低溫會影響玉米發芽率和根的生長，但主要還是日間低溫對幼苗的影響最大，因此低溫期用大棚遮蔽可有效保證光合能力和光合產量。日間溫度低于 17 ℃ 以下，玉米的光合能力就開始減弱，主要原因是低溫造成的不可逆光抑制，這種傷害既降低了玉米對光能的光化學利用，又會產生激發能的耗散作用，影響類囊膜蛋白如光系統Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）和捕光天線蛋白（light harvesting complex，LHC）的合成。植物適應低溫下的主要機制是PSⅡ的組裝修復和D1蛋白的周轉。冷害會造成PSⅡ中D1蛋白的降解，植物對D1蛋白的重新合成及組裝到PSⅡ的能力是適應寒冷環境的重要機制。但玉米遭受冷害后，D1蛋白的修復能力有限，主要原因是編碼D1蛋白的基因psb A的轉錄和表達受到抑制。此外，植物在寒冷環境下，光合器官會耗散過多的激發能，這會產生大量氧自由基如過氧化氫，而過氧化氫對編碼LHC蛋白的基因有下調作用，這也影響了玉米的光合能力[8]。

4適應寒冷氣候的C4植物

鉀豬毛菜（Salsola kali）是第一個被發現的能生活在寒冷地區的C4植物，能分布于歐洲58°N的地區。這類植物一般還具有較高的抗逆性如抗鹽性，能避免種間競爭，此外個體植物葉片的光合能力也很強。此外，還有很多C4植物能生活在寒冷地區，比如英格蘭的莎草（Cyperus longus）、加拿大的亂子草（Muhlenbergia glomerata）、日本和中國的芒（Miscanthus sacchariorus）。這些C4植物可分為兩類：一類是能避免寒冷環境，一類是能適應寒冷環境。避免寒冷環境的C4植物主要通過將生長限制在夏季或是一些微型的C4植物，這些微型植物葉片的溫度要明顯高于空氣中的溫度，以保證C4光合途徑正常進行[9]。而互花米草類植物基本上都是C4植物，它們能夠適應寒冷環境，這是玉米所不具有的特點?；セ撞莘植紡V泛，從熱帶地區一直到61°N。玉米是屬于C4植物NADP-蘋果酸型，互花米草屬于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶型（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）。免疫學研究表明，在寒冷條件下，互花米草丙酮酸磷酸二激酶（pyruvate ortho-phosphate dikinase，PPDK）和RuBisCO活性都上升，但后者活性上升程度要低些；不同冷適應C4植物的進化路線表明，PPDK 對于C4光合途徑的冷適應非常重要。因此，增加 PPDK 及其有關調節蛋白含量，并適度增加RuBisCO含量，可以提高C4植物的耐冷性[10]。

外來植物奇崗能生活在52°N的地區，能將太陽能高效地轉化為干物質產量，干物質產量最高達30 t/hm2[11]。奇崗能適應寒冷環境，但玉米不能，將生長在溫暖環境下的2種植物轉移至寒冷環境下，在前2 d，2種植物的光合能力均下降；但接下來的7d，奇崗能恢復到原來光合能力的90%，而玉米的光合能力會繼續下降；在這9d當中，玉米的RuBisCO活性喪失40%，PPDK喪失75%，而奇崗的PPDK含量會加倍。早期的研究并沒有發現，寒冷環境下C4植物RuBisCO會升高，但近幾年通過免疫檢測發現，寒冷環境下奇崗的RuBisCO顯著升高[12]。黃百合（Flaveria brownii）則是通過增加PPDK的冷穩定性而適應寒冷環境的，因為黃百合的PPDK氨基酸組成特殊，能適應寒冷環境，而奇崗和玉米的RuBisCO和PPDK的氨基酸組成幾乎沒有差別[13]。此外，在寒冷條件下，奇崗和玉米的玉米黃質含量均為原來的2.5倍，但玉米在寒冷黑暗環境下，玉米黃質含量仍然較高，這可能是導致其光合能力下降的原因之一；而奇崗在強光下玉米黃質含量高，可耗散過多的激發能，但弱光下不會影響光合作用[14]。

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