全 文 ：·综述与专论· 2013年第3期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 ：2012-11-05
作者简介 ：龚秀秀，女，硕士研究生，研究方向 ：分子生物学 ；E-mail ：mickeyle911@126.com
通讯作者 ：马秀灵，女，博士，副教授，研究方向 ：植物分子生物学 ；E-mail ：mxljp@163.com
世界人口数量逐渐增加，人们需要更多的食物
和能源。目前，世界上的粮食作物主要有水稻（Oryza
sativa）、玉米（Zea mays）、小麦（Triticum aestivum）等。
水稻作为世界主要粮食作物之一，为人类提供了大
量的能量和营养物质。20 世纪末期，水稻产量快速
增长，然而，现在水稻产量增长缓慢，难以满足人
们日益增长的粮食需求。水稻是 C3 植物，相对于 C3
植物，C4 植物光合作用利用率高，这是因为 C4 植
物光合作用是由维管束鞘细胞和叶肉细胞两种细胞
联合起来共同完成，C4 植物 CO2 同化率高，水、氮
利用率高，光呼吸弱，生物产量高。因此，我们可
以把 C4 植物的光合作用原理应用到 C3 植物水稻上，
以提高水稻光合作用利用率，增加粮食产量。
目前，C4 相关基因磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
（PEPC）基因、丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）基因、
磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）基因、依赖于
NADP 的苹果酸脱氢酶（MDH） 基因转基因到水稻
C4 光合作用调节机制
龚秀秀  王凯  董雯  丁健峰  马秀灵 
（山东师范大学生命科学学院，济南 250014）
摘 要 ： 现有的 C3 农作物水稻不能满足人类粮食需求，但 C4 植物光合利用率高，粮食产量高，人们可以把 C4 植物光合作
用原理应用到 C3 植物水稻上，通过基因工程方法来提高水稻光合作用效率，增加粮食产量。C4 植物光合作用调节机制具有一定的
细胞特异性。介绍分析 C4 光合作用调节机制，讨论典型的 C4 模式植物狗尾草作为光合作用遗传剖析新模型具有很大的研究潜力。
关键词 ： 光合作用 光呼吸 C4 植物 调控 分化
Regulatory Mechanisms of C4 Photosynthesis
Gong Xiuxiu Wang Kai Dong Wen Ding Jianfeng Ma Xiuling
（College of Life Science, Shandong Normal University, Ji’nan 250014）
Abstract:  Now, C3 crops rice can not satisfy human food, however, C4 plants photosynthetic utilization rate is high, grain yield is high, so
people may apply C4 photosynthesis to C3 plants rice to raise the efficiency of photosynthesis, to increase production. The regulatory mechanisms
of C4 photosynthesis is certain cell specific. This paper introduces and analyses the regulatory mechanisms of C4 photosynthesis and also
discusses Setaria viridis has great potential to serve as a model for the genetic dissection of C4 photosynthesis.
Key words:  Photosynthesis Photorespiration C4 plants Regulation Differentiation
中，表现出不同的效果，但均未大幅度提高作物产
量，甚至有些 C4 基因过量表达后产生了严重的负面
作用。植物体内的生物化学反应是连续的反应，任
何一个基因改变之后，可能会导致整个反应链发生
变化，也可能会引起其他生物化学反应的变化。因此，
关于 C4 光合作用细胞特异性调节机制，需要进一步
探讨和研究，以便更好地理解 C4 光合作用分子机制，
加速 C4 性状转基因到水稻上，以提高作物光合作用
率，增加作物产量。本研究在转录、转录后、翻译
后和表观遗传调控方面介绍和分析了 C4 光合作用调
节机制，光呼吸作用的细胞特异性，讨论了典型的
C 4 模式植物狗尾草因其植株矮小，转化效率高而作
为光合作用遗传剖析新模型，具有很大的研究潜力。
1 C4 光合作用
光合作用是绿色植物在可见光的照射下，将
CO2 和水转化为有机物贮存能量，并释放出 O2 的
生化过程，是植物碳同化和生物量积累的重要途
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第3期20
OAAOAAC4
PEP
PPT
DT1
DT1 DT2
MEF1MEF1
C3
pyruvatePEP pyruvateC3
CO2
HCO3
CO2 malate
malate
mesophyll bundle sheath
Calvincycle
M
BS
a
b
CA PEPC
PPDK
MDH ME
a ：玉米成熟叶片横截面的电子显微镜扫描图，叶肉细胞（M）
在维管束鞘（BS）外边 ；b ：玉米 C4 光合作用碳穿梭途径
图 1 C4 光合作用碳穿梭途径
［5］
径。大多数陆生被子植物是 C3 光合作用，羧化的
五 碳 ribulose-1，5-biphosphate（RuBp） 与 CO2 产 生
2 个三磷酸甘油酸（3-PGA），来完成碳的固定。但
是，RuBp 并不完全与 CO2 发生反应，它还被氧化成
2-phosphoglycolate（2-PG）。2-PG 是有毒化合物，植
物需消耗能量解毒。RuBp 的氧化反应和 2-PG 的回
收被称为光呼吸［1］，在高温和干旱条件下，光呼吸
使碳的固定率降低，减少了 C3 植物 30% 的生产力
［2］。
为有效排除 O2 远离 RuBp 氧化活性位点，许多
物种开始形成新的光合系统来克服光呼吸。C4 植物
体内有完整的 Benson-Calvin 循环，从最初的碳固定
就有了空间分离，以此来抑制光呼吸。C4 植物的叶
片结构非常独特，维管束被一层维管束鞘细胞（BSC）
环绕，外部又被叶肉细胞（MC）环绕，形成花环结
构（Kranz），这样的结构促使叶脉间距密集，更便
于四碳酸和糖的交换［3-5］。
C4 植物光合作用过程中，MC 内的磷酸烯醇式
丙酮酸（PEP）在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）
催化下，与 CO2 生成四碳酸——草酰乙酸（OAA），
进而还原为苹果酸（malate）或天冬氨酸（aspartate），
然后移动到邻近的 BSC。根据 BSC 内脱羧酶不同，
进而把 C4 植物分为 3 种亚型
［6，7］：NADP-ME 亚型
（图 1），以苹果酸形式从 MC 运输到 BSC，苹果酸
在 BSC 质体上进一步脱羧［1］；NAD-ME 亚型，以天
冬氨酸形式转移碳，在 BSC 线粒体内脱羧 ；PE-PCK
亚型，在 BSC 胞质中，PEPCK 催化草酰乙酸释放
CO2，生成磷酸烯醇式丙酮酸。C4 途径这种二羧酸
脱羧的方式，浓缩了 BSC 内的 CO2，有效抑制光呼吸，
CO2 同化效率高
［2］。因此，甘蔗、高粱和玉米等 C4
植物可以作为有前景的生物能源原料。
2 C4 分化的调控
C4 植物的形态结构、生物化学具有特异性
［8］，
C4 植物光合作用的特异性也受多层次控制 ：转录、
转录后、翻译后、表观遗传等［9］。下面阐述 C4 光合
作用调控的几个实例。
2.1 转录和转录后调控
C4 基 因 的 转 录 调 控 是 目 前 研 究 最 广 泛 的 机
制［10］。PEPC 特异性位于 MC，玉 米 PEPC 启 动 子
0.6 kb 区域可启动 GUS 表达，GUS 的表达受光诱导，
因此，玉米 PEPC 的表达受光诱导［11］。转录因子
DOF1、FtHB1、DOF2、MNFs 和 PEP- I， 都 能 结 合
到 PEPC 启动子上，调节 PEPC 的表达［12，13］。DOF1
促进 PEPC 表达，而 DOF2 似乎与 DOF1 有拮抗作
用，抑制 PEPC 表达。黄顶菊属（Flaveria sp.）同源
蛋白质 FtHB1、 FtHB3 和 FtHB4 也作用于 PEPC 启动
子，然而，这些基因的功能缺失的等位基因并不存在，
FtHB 5- 非编码区的删除，不能影响 MC 特异性表达，
很难评估 FtHB 的生物学意义。尽管我们已经知道
了 PEPC 启动子区域和 DNA 结合元件的特征，但是，
还没有了解 PEPC 在 C4 物种中 ME 细胞特异性表达
机制。一个 G-to-A 替代物和一个四核苷酸 CACT 插
入在 C4 植物黄顶菊 PEPC 启动子末端区域 41 bp（MC
表达模块处），抑制了 PEPC 在 BSC 中表达，从而促
使了 PEPC 在 MC 特异性表达。PEPC 启动子近端区
域和末端区域相互作用调节 PEPC 的表达，并且促
进 PEPC 在叶片中高水平表达。NADP-ME 的表达受
转录水平调控。在玉米中，NADP-ME 在 BSC 中特
异表达，并促进叶片发育［14］。在黄顶菊中，FbME1
优先在 BSC 中聚集，这个过程需要光诱导，需要 5-
和 3- 非编码序列的作用［15］。有趣的是，数据表明
调节 MC 表达的顺式作用元件在进化上变化很大。
丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）在 MC 中参与 PEP
再生，受转录水平调控［16］。玉米 PPDK 在 ME 细胞
中表达量较高，在 BSC 中也可以检测到。核结合因
2013年第3期 21龚秀秀等 ：C4 光合作用调节机制
子 PPD-1， 与玉米 PPDK 启 动 子 -301 到 -296（从
转录起始位点算起）区域结合。在基因枪试验中，
删除此区域显著影响了 MC 表达特异性。
遗传分析发现，玉米 Golden2（G2）基因在 C4
光合调控中发挥作用。一个功能缺失的 G2 等位基因，
在光照条件下 BSC 叶绿体发育缓慢，黑暗条件下，
BSC 和 MC 叶绿体发育迟缓。与野生型相比，g2 突
变体的四碳酸穿梭基因表达水平较低，主要 C4 酶
没有积累在 BS 细胞。G2 有一个同源染色体 GLK1，
在玉米中，G2 主要在 BSC 中转录，而 GLK1 主要在
MC 中转录。G2 和 GLK1 功能都缺失的突变体影响
C4 光合作用的发育。
2.2 翻译后调控
蛋白质修饰也控制 C4 细胞分化
［17］。催化 HCO3
-
生成草酰乙酸的 PEPC 受翻译后磷酸化调节。PEPC
的 磷 酸 化 发 生 在 丝 氨 酸 的 N-末 端， 是 一 个 可 逆
反应，苹果酸限制了反馈抑制，葡萄糖 -6- 磷酸增加
了活性。玉米叶片 PEPC 的磷酸化发生黎明之前，天
黑之前磷酸化降低。这表明玉米 PEPC 的磷酸化受
光控制。有趣的是，PEPCKinase（grmzm2g178074），
通过氧化还原反应在蛋白水平调节 PEPC 磷酸化。
在 光 照 下，MC 中 的 PEPCK 迅 速 降 解，PEPCK 还
可能泛素化。值得注意的是，PEPCK mRNA 优先在
MC 中表达，受转录控制细胞特异性。
另一个碳穿梭酶 PPDK，也受翻译后磷酸化调
节。但是，PPDK 磷酸化在几个方面不同于 PEPC
磷酸化。首先，磷酸化 降 低 了 PPDK 活 性， 增 加
了 PEPC 活性。其次，PPDK 调控蛋白（PPDK-RP）
是唯一催化 PPDK 磷酸化和去磷酸化的酶 ；而催
化 PEPC 磷酸化的酶是 PEPCK，去磷酸化的酶是
异 源 蛋 白 磷 酸 酶 2A 复 合 物（heteromeric protein
phosphatase 2A complex）。PPDK-RP 位于 ME 细胞中，
白天诱导 PPDK 磷酸化，夜晚催化 PPDK 去磷酸化。
第三，PPDK-RP 受光、ADP、PPDK-RP 酶作用底物
控制。黑暗下，基质中 ADP 增加，进而 PPDK-RP
酶活性上升，PPDK 磷酸化。而光照下相反。因此，
PPDK 的活动和光照 - 黑暗周期密切相关。
目前，没有任何证据表明 PPDK-RP 受翻译后
调 节，PPDK-RP（grmzm2g004880） 主 要 在 BSC 中
编码，而 PPDK 主要在 MC 中编码。然而，这两个
酶主要积累在 MC 中，这意味着转录和翻译或翻译
后的解偶联影响了 PPDK-RP 的积累。除了磷酸化之
外，蛋白质转换也控制 PPDK 丰度。芒竹（Miscanthus
giganteus）冷处理后，其 PPDK 蛋白质减少，而 RT-
PCR 检测发现 PPDK 的转录没有受到影响。因此，
推测 PPDK 可能在低温下泛素化，PEPCK 在光下泛
素化，均能维持这些酶的细胞特异性。虽然这只是
一个猜测，但人们可以通过研究蛋白质来揭示新的
细胞特异性调节机制。虽然对 C4 分化翻译后控制的
研究较少，但是可以肯定这种调节机制不仅局限于
PPDK 和 PEPC 磷酸化上。如翻译后的蛋白转换可能
会减少成熟 BSC 中光系统Ⅱ复合物。目前，综合转
录组学和蛋白质组学的数据，有助于人们寻找 C4 在
翻译后水平的控制机制。
2.3 表观遗传调控
目前，C4 基因表达的表观调控研究主要集中于
PEPC 的表达调控。玉米 PEPC 启动子序列使 PEPC
在 MC 特异性转录［11］。而且，PEPC 启动子限制性
酶切位点的甲基化与细胞特异性有关。但是，位点
的甲基化不是唯一的调节机制，因为甲基化位点缺
失的启动子融合 GUS 后，GUS 仍在 MC 特异性表达。
除了甲基化之外，组蛋白乙酰化也影响着组织特异
性。另外，染色质的修饰也影响着玉米 PEPC、苹果
酸的表达。目前，新一代测序技术，甲基化模式的
全基因组图谱（如 bisulfite-seq）为人们理解 C4 基因
表达的调节机制提供了新的观点。
3 受转录和转录后调控的光呼吸途径
C4 光合作用的进化导致 BSC 和 MC 之间许多
生化活动分开。光呼吸途径存在于所有植物中，不
利于植株生长，是 C4 进化的指标。据统计，C4 植
物 BSC 内的 CO2 水平比 C3 植物 MC 内 CO2 水平高
10-100 倍，这种现象有效消除了 RuBisCo 的氧化
性。但玉米光合作用需要光呼吸循环，这表明光呼
吸在 C4 和 C3 植物中起着至关重要的作用。光呼吸中，
RuBP 氧化生成的 2pg 被 2pg- 磷酸酶（PGP）水解成
乙醇酸（图 2）。玉米质体亚型 PGP（grmzm2g018441）
在 BS 细胞中高水平表达。2pg 转化为乙醇酸后，进
而被乙醇酸氧化酶（GOX）氧化成为乙醛酸。玉米
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第3期22
O2
O2
CO2
CO2
NH3
NH3
CO2
H2O2 H2O
Pyruvate
BS cytosol
3-PGA
RuBP
Calvin
cycle
3-PGA
2-PG
Gln 2OG
2OG
GlycineGlycine
Glyoxylate
Glycolate
Glycolate
GlycerateGlycerate
Tartronic
Glyoxylate
semialdehyde
TS
R
G
C
L
G
D
H
Serine
Serine
Hydroxy
PyruvateCarbohydratesMalate
NADP+
NADPH
C
hl
or
op
la
st
Pe
ro
xi
so
m
e
M
ito
ch
on
dr
io
n
Glu
Glu
Glu
GS
PGP
GOGAT
GGT
CAT
GOX
GLYK
SGT
HPR
N
A
D
P
M
C
SH
M
T
G
D
C
图 2 C4 维管束鞘细胞光呼吸途径
［4］
GOX（grmzm2g129246）突变体具有致死性状，但
CO2 浓度升高后可以拯救植株。另外，被 GOX 催化
生成的过氧化氢，继而被抗氧化酶（CAT）催化为水，
这一过程在光呼吸中起着重要作用。
光呼吸过程中一系列酶催化反应导致碳固定率
低，NADPH 和 ATP 额外消费。编码光呼吸酶的基
因大多具有 BSC 特异性。例如，谷氨酸盐的转录
酶 ：催化乙醛酸转换为甘氨酸的乙醛酸氨基转移酶
（GGT）、甘氨酸脱羧酶（GDC）、丝氨酸羟甲基转
移酶（SHMT）、依赖于 NADH 的羟基丙酮酸还原酶
（pHPR）。然而，生成丝氨酸的乙醛酸转氨酶（SGT）
比较特殊，聚集在 MC 中。没有光呼吸时，SGT 在
BSC 和 MC 都表达，SGT 可能受转录后控制。另外，
催化甘油转化为 3-PGA 的甘油酸激酶（GLYK），玉
米 GLYK 在 MC 和 BSC 中都能表达，但在 MC 中量
较高。
众所周知，光呼吸损失能源和碳，因此，是否
可以假设通过抑制光呼吸，或者改变光呼吸通路来
提高光合效率，增加生物产量呢？不过，至今为止，
这种假设还没有试验过。
4 C4 模式植物
玉米的转录因子、激酶、磷酸化酶、受体与 C3
作物差别很大。目前，玉米测序完成，已经研究了
很多玉米基因，但其植株大，当建立突变库时，很
难进行定向筛选。因此，玉米、高粱等植株较大的
植物不适于作为 C4 模式植物。合适的 C4 植物模型
一直局限着其转录体系的功能分析。理想情况下，
C4 植物模型应该有基因组序列，植株矮小，生活周
期短，生长环境简单，转化效率高，进化上接近草
作物。
狗尾草（Setaria viridis）在进化上接近草作物，
因此，我们提出把狗尾草作为 C4 模式植物
［18］。狗尾
草是光合作用 NADP-ME 型，基因组小（510 Mb），
序列完整，植株矮小（10-15 cm），生活周期约 6 周，
种子产量高。狗尾草的花是两性花，可以将其去雄
或者在授粉之前将其花粉毁坏进行杂交。另外，狗
尾草还有许多性状与草作物相似，如半兼容性，二
级种子休眠和诱导萌发要求条件低。最重要的是，
可以利用农杆菌介导的方法转化狗尾草，这种转化
方法效率高，容易获得转基因苗，还可以系统地进
行高通量遗传筛选、检测顺式调控元件、基因过量
表达、基因敲除等试验。
2013年第3期 23龚秀秀等 ：C4 光合作用调节机制
5 结语
在一些基因工程中，玉米 PEPC 基因转基因到
水稻后，水稻的光合利用率升高，PEPC 酶活性升高
2-3 倍，O2 抑制光合作用的现象减少 ；而玉米 C4 特
异性 ME 基因在水稻中过量表达之后，水稻叶片的
叶绿素发白，光合作用的光抑制增强［19］。不同的 C4
基因转基因到水稻后，表现出不同的效果。以上试
验只改变了一个酶的活性，当不同基因结合时，画
面会更复杂，需对这种做法更加细致和广泛地研究。
在转 PEPC 和 PPDK 双基因的转基因水稻中，水稻
粮食产量上升，所以，要大胆开阔思路、勇于实践、
不怕失败，研究 C4 光合作用调节机制，把 C4 主要
的特异性基因整合在一起转基因到 C3 农作物，提高
作物光和利用率，增加粮食产量，造福人类。
目前，人们对 C4 光合作用调节机制产生日益浓
厚的兴趣，国际上组建了“C4 光合作用”团，比尔·盖
茨（Bill Gates）前来资助，帮助人们利用新型科学
技术和仪器全面了解 C4 光合作用调节机制，系统地
诊断基因相互作用，深入研究 BSC 和 MC 的特异性。
这样，C4 性状引入到 C3 农作物上这一伟大工程的步
伐就更加迅速了。但即使有这些进步，该项目的研
究仍然是一个挑战赛，仍然需要做更进一步的研究。
参 考 文 献
［1］ Sage RF. The evolution of C4 photosynthesis［J］. New Phytol,
2004, 161 ：341-370.
［2］ Zhu XG, Long SP, Ort DR. What is the maximum efficiency with
which photosynthesis can convert solar energy into biomass［J］.
Current Opinion in Biotechnology, 2008, 19 ：153-159.
［3］ Li P, Ponnala L, Gandotra N, et al. The developmental dynamics
of the maize leaf transcriptome［J］. Nature Genetics, 2010, 42 ：
1060-1067.
［4］ Wang L, Peterson RB, Brutnell TP. Regulatory mechanisms
underlying C4 photosynthesis［J］. New Phytologist, 2011, 190：9-20.
［5］ Weissmann S, Brutnell TP. Engineering C4 photosynthetic regulatory
networks［J］. Current Opinion in Biotechnology, 2012, 23 ：1-7.
［6］ Gutierre M, Gracen VE, Edwards GE. Biochemical and cytological
relationships in C4 plants［J］. Planta, 1974, 119 ：279-300.
［7］ Prendergast HDV, Hattersley PW, Stone NE. New structural
biochemical associations in leaf blades of C4 grasses ［J］. Australian
Journal of Plant Physiology, 1987, 14 ：403-420.
［8］ Hatch MD. C4 photosynthesis-a unique blend of modified biochemi-
stry, anatomy and ultrastructure［J］. Biochimica et Biophysica Acta,
1987, 895 ：81-106.
［9］ Sheen J. C4 gene expression［J］. Annual Review of Plant
Physiology and Plant Molecular Biology, 1999, 50 ：187-217.
［10］ Hibberd JM, Covshoff S. The regulation of gene expression required
for C4 photosynthesis［J］. Annu Rev Plant Biol, 2010, 61 ：181-
207.
［11］ Taniguchi M, Izawa K, Ku MSB, et al. Binding of cell typespecific
nuclear proteins to the 5-flanking region of maize C4 phosphoenol-
pyruvate carboxylase gene confers its differential transcription in
mesophyll cells［J］. Plant Molecular Biology, 2000, 44 ：543-
557.
［12］ Kanomurakami Y, Suzuki I, Sugiyama T, Matsuoka M. Sequence-
specific interactions of a maize factor with a Gc-rich repeat in the
phosphoenolpyruvate carboxylase gene［J］. Molecular and General
Genetics, 1991, 225 ：203-208.
［13］ Yanagisawa S, Sheen J. Involvement of maize D of zinc finger prot-
eins in tissue-specific and light-regulated gene expression［J］.
Plant Cell, 1998, 10 ：75-89.
［14］ Langdale JA, Rothermel BA, Nelson T. Cellular pattern of photo-
synthetic gene expression in developing maize leaves［J］. Genes
and Development, 1998, 2 ：106-115.
［15］ Marshall JS, Stubbs JD, Chitty JA, et al. Expression of the C4 Me1
gene from Flaveria bidentis requires an interaction between 5 and
3 sequences［J］. Plant Cell, 1997, 9 ：1515-1525.
［16］ Hibberd JM, Covshoff S. The regulation of gene expression required
for C4 photosynthesis［J］. Annu Rev of Plant Biol, 2010, 61 ：
181-207.
［17］ Majeran W, van Wijk KJ. Cell-type-specific differentiation of chlo-
roplasts in C4 plants［J］. Trends Plant Sci, 2009, 14 ：100-109.
［18］ Brutnell TP, Wang L, Swartwood K, et al. Setaria viridis ：a model
for C4 photosynthesis［J］. Plant Cell, 2010, 22 ：2537-2544.
［19］ Takeuchi Y, Akagi H, Kamasawa N, et al. Aberrant chloroplasts
in transgenic rice plants expressing a high level of maize NADP
dependent malic enzyme［J］. Planta, 2000, 211 ：265-274.
（责任编辑 狄艳红）