2021年3月3日，Communication biology杂志在线发表了来自澳大利亚国立大学Florence R. Danila等人合作题为“Bundle sheath suberisation is required for C4photosynthesis in a Setaria viridis mutant”的研究文章。该文章揭示了植物中30多年的难题，C4植物的维管束细胞中木栓质的作用是使隔室密封，不让CO2逸出。这一发现可能是改造更好的农作物并确保未来粮食安全的关键。
将C4光合作用机制引入C3作物中，除了可能提高氮和水的利用效率外，还可以提高光合作用的合成效率、生物量和产量。据预测，在水稻中实现C4光合作用途径将使水稻产量增加50%。因此，研究C4光合作用机制就非常重要。众所周知C4光合作用更有效的关键因素之一是CO2浓缩机制，即将CO2封闭在叶片组织的气密隔室内的能力，从而使低效的光合作用酶Rubisco更容易固定碳。然而目前为止，我们一直无法回答的是，什么原因使该隔室密封，从而使CO2不被逸出？狗尾巴草（S. viridis）是一种杂草，同时也是驯养的谷子（S. italica）的野生祖先，但是可以作为C4作物的模式植物，因为其具备以下几点：植物很小、二倍体、生命周期短（8-10周）、基因组较小（约500 Mb），并且具有自我相容性、单花序通常可产生数百个种子。可以进行遗传转化，并且实现了CRISPR–Cas9介导的基因突变。因此，这些功能使S. viridis能够用于研究C4植物光合作用机制、耐旱、细胞壁组成、花序和花序发育、叶片解剖、次生代谢、植物微生物群、铝耐性和防御反应。如我们之前报道【Nat Biotech】意外！在狗尾巴草中发现新的种子落粒基因，重现谷子驯化初期过程
该研究通过在低CO2条件下高通量筛选狗尾草的突变体群体，发现了一个生长和光合作用降低的突变体，并且在高CO 2浓度下生长时表现出改善的生长。通过基因定位及生物信息学和基因表达分析表明，该突变体中的ABCG转运蛋白基因编码区具有氨基酸变化，该蛋白参与木栓质合成途径，并且特异在C4叶中特异性表达。
进一步通过染色，TEM和GC/MS证实了突变体的维管束鞘细胞细胞壁中Suberin沉积减少。同时发现该突变体中的BS电导和CO2扩散增加两倍以上。因此，突变体中的BS CO 2分压降低并且CO2碳同化受损。因此，该研究提供了实验证据，表明功能性木栓质是狗尾草植物中C 4光合作用的重要解剖特征，并且在C4植物的叶片细胞保持气密性方面起作用。此外，该研究为解决C4光合作用最后一个难题提供了思路。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-021-01772-4
