[CIRAS-4]水稻OsβCA1通過不同轉錄起始產生三種不同亞細胞定位的OsβCA1亞型，參與氣孔響應調控和光合作用

　　植物碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）是光合作用、pH調節、氣孔運動、離子平衡及碳固定等過程的關鍵酶，不僅催化CO₂水合為HCO₃^-，促進其在細胞質中快速擴散，而且還通過在葉綠體基質中催化HCO₃^-的脫水為Rubisco提供CO₂。在擬南芥中，AtβCA1和AtβCA4通過不同的亞細胞定位來調控氣孔運動；在水稻中，OsβCA1的突變體則表現出類似的氣孔運動遲緩和光合作用降低，但其在CO₂介導的氣孔運動反應和光合作用的具體調控機制尚不清晰。

　　近期，韶關學院廣東省粵北食藥資源利用與保護重點實驗室陳太鈺教授課題組聯合華中農業大學林擁軍教授課題組在New Phytologist雜志上在線發表了題為Alternative Transcriptional Initiation of OsβCA1Produces Three Distinct Subcellular Localization Isoforms Involved in Stomatal Response Regulation and Photosynthesis in Rice的研究論文。該論文報道了水稻OsβCA1通過不同的轉錄起始產生三種不同亞細胞定位的OsβCA1亞型，并闡明了三種亞型在CO₂擴散、CO₂固定、氣孔孔徑調節和CO₂介導的氣孔運動反應中的產生機制和生物學作用，為水稻氣孔調控和光合作用調節機制提供了新見解。

　　OsβCA1通過不同轉錄起始產生三種異構體：OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1C分別定位于葉綠體、細胞膜和細胞質（圖1）。

　　圖1 OsbCA1通過選擇性轉錄起始編碼三種不同的亞細胞定位的βCA亞型研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，分別敲除了OsβCA1A、OsβCA1B和OsβCA1，對應3個突變體osβca1.1、osβca1.2和osβca1.3（圖2）。

圖2 OsbCA1轉錄本特異性突變體（水稻）的產生

　　在本研究中，突變體可以正常生長；然而，突變體osβca1.1與野生型相比表現出明顯的生長缺陷（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功能

　　本研究中，科研團隊利用美國PP Systems生產的第四代光合作用測定系統CIRAS-4對水稻在不同CO?濃度下的氣孔響應和光合速率進行了系統測定（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?補償點顯著升高，表明其在低CO?條件下的碳固定能力受損。氣孔導度（Gs）數據顯示，OsβCA1B敲除突變體（osβca1.2）和OsβCA1完全敲除突變體（osβca1.3）的氣孔導度顯著高于野生型和OsβCA1A敲除突變體（osβca1.1）。這表明OsβCA1B在調控氣孔開度中起關鍵作用，而OsβCA1A則對氣孔開度影響較?。▓D4）。

圖4 OsbCA1（水稻）異構體在氣孔開放中的作用

　　另外，研究團隊發現OsβCA1完全敲除突變體（osβca1.3）在低CO?濃度下的氣孔響應顯著延遲，而OsβCA1A和OsβCA1B的單獨敲除并未顯著影響氣孔對CO?的響應速度（圖5）。這表明OsβCA1的三個異構體在CO?響應調控中存在復雜的相互作用。

圖5 OsbCA1的轉錄特異性突變體（水稻）中co2觸發的氣孔開放延遲

　　本研究揭示了OsβCA1基因通過不同轉錄起始產生的三種異構體在水稻碳固定和氣孔響應中的獨特作用。OsβCA1A主要參與葉綠體中的碳固定，OsβCA1B則調控氣孔開閉，而OsβCA1C可能在CO?跨膜擴散中發揮作用。未來的研究可以進一步探索這些異構體在CO?信號傳導中的具體機制，以及它們如何協同調控植物的光合作用和氣孔運動。